Из чего состоит электрон? масса и заряд электрона

Научное обоснование многих электрических явлений стало возможным благодаря опытам Кулона, на основании которых учёный ввёл термин «точечный электрический заряд». Исследуя природу электризации, французский физик с помощью изобретённых им крутильных весов, открыл закон взаимодействия точечных зарядов, известный нам как закон Кулона.

Впоследствии этот основополагающий закон помог учёным сформировать представление о строении атомов, объяснить природу электричества. Это способствовало созданию источников электрического тока, без которого современного уровня научно-технического прогресса не удалось бы достигнуть.

История

На существование электрических зарядов обращали внимание мыслители ещё до нашей эры. Однако они не способны были объяснить их природу и, тем более, описать взаимодействие.

Прошло много веков до того момента, когда учёные вплотную занялись изучением электрических явлений, что и привело их к открытиям в данной области. В частности Уильям Гильберт ещё в XVI веке, не понимая природы электричества, называл наэлектризованными тела, которые притягивали другие вещества.

В 1729 году, наблюдая за электризацией различных тел, Шарль Дюфе пришёл к выводу о существовании зарядов двух видов, которые называл «стеклянными» (так как они проявляли себя на стеклянной палочке) и «смоляными» (возникающими при электризации смол). Позже Бенджамином Франклином понятия «стеклянные» и «смоляные» были заменены на более общие термины: «положительные» и «отрицательные». Данными терминами мы пользуемся по сегодняшний день.

Несмотря на то, что эти исследователи понимали факт распределения зарядов, они не смогли объяснить природу явления. Вплотную приблизился к пониманию элементарных частиц как носителей зарядов учёный-физик Ш. Кулон. Придуманный им термин «точечный заряд» помог учёному понять взаимодействие элементарных частиц, что привело его к открытию закона.

На основании своего открытия, физик уже мог объяснить причину взаимодействия точечных заряженных тел (см. рис. 1).

image
Рис. 1. Взаимодействие наэлектризованных тел

Дискретность (неделимость) элементарных заряженных частиц доказал Роберт Милликен. Учёный подтвердил, что заряженное тело содержит целое число элементарных частиц. Он пришёл к выводу, что делимость заряда имеет предел. Носителем элементарного заряда является электрон.

На рисунке 2 изображён опыт, подтверждающий делимость заряда. Опыт показывает, что деление кратно, это наталкивает на мысль о существовании элементарных частиц.

image
Рис. 2. Делимость заряда

Целостная картина сложилась после обнародования предложенной Резерфордом наглядной планетарной модели атома. Модель предполагает, что атом состоит из ядра, вокруг которого вращаются электроны. Это довольно упрощённая модель, но она уже объясняла многие электрические процессы, включая электризацию тел.

Рис. 3. Современная интерпретация планетарной модели атома

Что такое электрический заряд?

Данный термин обозначает то, что заряженное тело способно создавать электрическое поле. В более широком значении, зарядом называют количество электричества – скалярную величину, являющейся источником электромагнитного поля, участвующую в процессах электромагнитных взаимодействий. Электрический заряд не может существовать без носителя.

Элементарными носителями отрицательных зарядов являются электроны. Антиподом электрона является позитрон – устойчивая античастица, равная по массе электрону, но со знаком «+». Существует ещё одна устойчивая, положительно заряженная элементарная частица – протон.

Частицы, заряжены дробными частями (кварки), могут существовать только в составе адронов, поэтому их не считают носителями.

Заряженные протоны, из которых состоит ядро атома, тесно связаны ядерными силами. Они не могут свободно вырываться с ядра атома. Поэтому в качестве свободных носителей положительного заряда принято считать ион – атом, с орбиты которого удалился электрон. Образование отрицательных ионов происходит за счёт присоединения к ним свободных электронов.

Заряженность нейтральных атомов и молекул нулевая, а число положительных и отрицательных ионов в ячейках кристаллических решёток скомпенсировано. Поэтому тела в обычных условиях электростатически нейтральны. Между нейтральными атомами взаимодействие отсутствует.

Свойства

Установлено, что неподвижный заряд q неразрывно связан с электрическим полем, представителем особого вида материи. Поле является материальным носителем взаимодействия между элементарными частицами. Это свойство поля проявляется даже в случае отсутствия вещества между взаимодействующими телами.

Электрическое поле действует с силой F  на пробный заряд q′, расположенный в любой точке поля.

Векторная величина:

характеризует действие электричества и называется напряженностью поля. Линии, касательные к которым совпадают с вектором напряжённости, образуют линии напряжённости. Густота линий напряжённости определяет величину напряжённости.

Линии напряженности электростатического поля точечного заряда представляют собой лучи, выходящие из одной точки (для положительного) или входящего в точку (для отрицательного) (см. рис. 4).

Рис. 4. Линии напряжённости поля

Электростатическое взаимодействие электромагнитных полей можно наблюдать на поведении заряженных шариков. Если эбонитовую или стеклянную палочку наэлектризовать трением и приблизить её к крохотным бузиновым шарикам, то мы увидим, как в результате силовых взаимодействий частицы отталкиваются (если они одинаковых знаков), либо притягиваются (разнознаковые).

Насыщение свободными носителями зарядов различных веществ не одинаково. Больше всего свободных электронов содержится в металлах. Поскольку заряженные электроны способны перемещаться под действием электрического поля, они являются основными транспортировщиками электрического тока в металлах. При этом движения электронов не приводит к каким-либо химическим изменениям.

Перенос зарядов в расплавленных солях или в растворах кислот осуществляется ионами. Они могут быть заряжены как положительно, так и отрицательно. В отличие от металлов, перераспределение зарядов в этих жидкостях сопровождается химическими реакциями. Поэтому растворы называют проводниками второго рода, то есть такими, которые под действием постоянных токов приводят к изменению химического состава вещества.

Таким образом, вещества условно подразделяют по типу проводимости:

  • проводники первого рода (металлы);
  • проводники второго рода (соляные, щелочные и кислотные растворы);
  • полупроводники (электронно-дырочная проводимость);
  • диэлектрики (вещества не способные проводить электричество из-за отсутствия свободных носителей).

Единица измерения

Единицей измерения заряда в международной системе СИ принято 1 кулон – совокупный заряд элементарных частиц, преодолевающих сечение проводника с током в 1 А, за единицу времени (секунду). Это огромная величина. Силу взаимодействия величиной в 1 Кл на расстоянии 1 м можно сравнить с действием гравитационного притяжения Землёй тела, массой 1 млн. т (9 × 109 Н).

Взаимодействие зарядов

Многочисленные опыты показали, что заряженные элементарные частицы взаимодействуют между собой. Носители одноименных зарядов отталкиваются, а носители разноименных зарядов – притягиваются (см.рис. 5).

Рис. 5. Взаимодействие элементарных частиц

Силу взаимодействия точечных зарядов определяют по формуле, вытекающей из закона Кулона: F = (k*q1*q2)/r2 , где q1 и q2 –две заряженные точки, расположенные на расстоянии r, а k – коэффициент, размерность которого зависит от выбранной системы измерений, а значение – от свойств окружающей среды. Закон Кулона – один из фундаментальных законов физики.

Рис. 6. Интерпретация закона кулона

Закон сохранения электрического заряда

Экспериментально установлено, что в замкнутой системе выполняется один из основополагающих законов физики – закон сохранения. В изолированной системе суммарный заряд не исчезает, а сохраняется во времени. Кроме того, он квантуется, то есть изменяется порциями, кратными заряду элементарной частицы.

Алгебраическая сумма зарядов – величина постоянная: q1 + q2 + … + qn = const (см. рис. 7).

Рис. 7. Сохранение статического электричества

Закон сформулирован Б.Франклином (1747 г.) и подтверждён М. Фарадеем в 1843 г.

Способы измерения

Самый простой прибор для измерения – электроскоп. Он состоит из двух лепестков из фольги, расположенных на металлическом стержне. Конструкция накрыта стеклянным колпаком.

Если наэлектризованным телом прикоснуться к стержню, то лепестки наэлектризуются. Поскольку знаки на них одинаковые, то кулонова сила оттолкнёт их в разные стороны. По величине угла отклонения можно оценить величину статического электричества поступившего на лепестки.

Более сложный прибор – электрометр (схематическое изображение на рис. 8). Прибор состоит из стержня электрометра, стрелки и шкалы. Принцип действия аналогичен электроскопу (стрелка отталкивается от стержня). Благодаря наличию шкалы отклонение стрелки электрометра показывает количественную величину переданного электричества.

Рис. 8. Схематическое изображение электрометра

Мы уже упоминали, что Кулон в своих опытах пользовался крутильными весами. Этот измерительный прибор позволил учёному открыть знаменитый закон, названный в честь его имени.

В 1836 г. английский физик Майкл Фарадей сформулировал законы электролиза (разложения жидкостей на отдельные элементы под воздействием тока). Согласно первому закону, чем больший заряд передать электроду, тем большей будет масса осажденных на нем элементов. Согласно второму, чем больше масса осевших на электроде элементов, тем больше весит 1 эквивалент этого элемента — количество, реагирующее с 1 моль (6,002×1023 атомов) водорода. Опираясь на эти законы, британский ученый Джордж Стони в 1874 г. высказал догадку о том, что разрыв каждой конкретной связи возникает только тогда, когда через электролит (токопроводящую жидкость) пропускают определенный, соответствующий именно данному типу связи заряд (количество электричества). Через 15 лет Стони придумал название для элементарной единицы, переносящей заряд, — электрон.

Впрочем, еще до того, как он ввел этот термин, немецкий физик Герман Гельмгольц (1821—1894) предположил, что электричество, независимо от того, заряжено ли оно положительно или отрицательно, состоит из крошечных частиц — точно так же, как любая материя состоит из атомов. Ученый догадывался, что химические вещества должны содержать электрические частицы, ведь при разложении электролитов вместо атомов образовывались положительно и отрицательно заряженные ионы. Значит, рассуждал физик, при замыкании цепи один атомы теряют какое-то количество электрических частиц, другие присоединяют такое же количество и притягиваются к соответствующим электродам, а уже там под воздействием повышенного напряжения отдают лишние частицы либо забирают недостающие — и становятся нейтральными.

В 1895 г. немецкий ученый Вильгельм Конрад Рентген обнаружил загадочные икс-лучи, которые возникали по вине заряженных частиц, испускаемых катодом (отрицательным электродом) вакуумной трубки на анод — положительный катод, вследствие чего выделялся поток энергии. Год спустя опыты французского физика Антуана Анри Беккереля показали: если поместить атомы урана в электрическое поле, создаваемое двумя электродами, произойдет атомный распад на положительные ядра, поток отрицательных частиц и волновое излучение энергии. Так была выявлена радиоактивность. Наконец, в конце апреля 1897 г. кембриджский профессор физики Джозеф Томсон (1856—1940) официально сообщил о том, что была найдена новая элементарная частица с самой маленькой массой и зарядом — электрон. Когда Томсон только начал работу в Кавендишской лаборатории Кембриджа, коллеги подтрунивали над ним. По словам одного из лаборантов, пальцы Джозефа были жутко неуклюжими, поэтому сотрудники всячески старались не подпускать его к оборудованию. Единственное, что на тот момент у Томсона получалось хорошо, — это стратегическое планирование: он мог четко нарисовать в воображении поэтапный процесс любого эксперимента. За это коллеги дали профессору прозвище Безрукая Голова, однако уже через несколько лет он отважился ставить опыты без чьей-либо помощи.

Читать:  Закон сохранения и превращения энергии (первый закон термодинамики)

Сначала Джозеф пропускал рентгеновские, радиационные и катодные лучи (потоки электронов, испускаемые отрицательным электродом — катодом) через разреженные газы и наблюдал, как их молекулы приобретают заряд, превращаясь в положительные и отрицательные ионы. Попутно ученый выяснил, что если разность потенциалов в газе небольшая, то, согласно закону Ома, с падением напряжения (давления, оказываемого на электроны) сила тока тоже уменьшается. А вот с ростом напряжения сила тока, как ни странно, падала, что противоречило закону Ома, но стоило только увеличить напряжение до максимума, как ток резко возрастал и газ разряжался с искрами, похожими на молнию.

Далее Томсон переключился на вакуумные трубки, внутри которых возбуждалось катодное излучение, и поставил целый ряд экспериментов. В первой группе опытов он воздействовал на лучи магнитным полем и увидел, что они сильно искривляются. На втором этапе Томсон задумал пронаблюдать за поведением лучей в электрическом поле (поскольку, как тогда уже знали, оно тесно связано с магнитным) и изготовил трубку полностью без воздуха, дабы исключить его влияние на направление потока. Подобные опыты немецких ученых провалились именно из-за того, что вакуумная среда содержала немного воздуха, но Томсон сделал все, чтобы такого не случилось, и катодный луч отклонился, причем по направлению было видно, что заряжен он отрицательно.

Третий этап начался еще с одного усовершенствования трубки: теперь ее устройство стало сложнее, а торец был покрыт особым составом, реагирующим на свет. С помощью этого прибора ученый смог максимально точно определить угол искривления луча, а затем, используя полученные данные, вычислил удельный заряд отдельной частицы — отношение ее заряда к массе. Данное число в тысячи раз превышало удельный заряд положительного иона водорода, а это свидетельствовало о том, что исследуемые частицы гораздо меньше атомов, но электричества в них несравненно больше.

Читать:  Кварки: как были открыты фундаментальные частицы

Томсон поэкспериментировал с катодными лучами, помещая их в электростатическое и магнитное поля одновременно, с ультрафиолетом и даже с нагретыми до белого каления металлами. Измеряя и сравнивая соотношения заряда и массы излучаемых частиц, ученый убедился, что результаты идентичны, и заключил: лучи, испускаемые катодной трубкой, представляют собой поток мельчайших заряженных «корпускул» (так Томсон назвал электроны), и из этих «деталей» сложены абсолютно все атомы, в том числе водород. Вещество, из которого сделан катод, так же как и состав среды, где распространяются лучи, не влияет на удельный заряд частиц, а по массе каждая из них более чем в 1830 раз уступает водородному атому.

Большинство современников Томсона отнеслись к его теории скептически: в их сознании не укладывалось, что атомы не целостны и что атом водорода — не самая легкая и маленькая частица.

Между тем Томсон поставил перед собой новую цель — воссоздать посредством корпускул-электронов модель атома. Это оказалось не так-то просто, ведь электроны заряжены отрицательно, а частицы с одноименным зарядом отталкиваются, но ученый нашел выход. По его версии, атом представляет собой что-то вроде кекса с изюмом: положительное облако, в котором свободно движутся многочисленные отрицательные частицы, — обе составляющие взаимно компенсируются, потому атом нейтрален.

Томсон представил эту модель в 1904 г., а семь лет спустя его же студент Эрнест Резерфорд выяснил, что, помимо отрицательных частиц, атомы содержат положительное ядро, и на основе данного наблюдения создал другую модель по образу и подобию Солнечной системы.

То, что катодные лучи, а следовательно, и электроны, могут существовать вне вакуума, обнаружил еще в 1893 г. немецкий физик Филипп Ленард (1862—1947). Для экспериментов с катодной трубкой он проделал в аноде дырочку и закрыл ее фольгой, а напротив разместил еще одну трубку с таким же «окошком». Катодный луч прошел сквозь оба отверстия и попал во вторую трубку, где исследовать его было удобнее. Ленард повторил в этой трубке опыты Томсона, а затем принялся направлять излучение на разные предметы, что позволило ему сделать несколько важных выводов: электрические лучи способны проникать внутрь разных материалов, на глубину, которая зависит от плотности и толщины вещества, а также скорости и энергии частиц, составляющих излучение. Кроме того, ученый обнаружил, что вес атомов распределяется неравномерно и сконцентрирован в одном месте, и ему представилась модель в виде шарообразной оболочки, заполненной сцепленными парами положительных и отрицательных частиц.

Читать:  Квантовая теория

Продолжая изыскания Ленарда, посвященные взаимодействию заряженных частиц с разными веществами, подчиненный Томсона — Чарлз Вильсон (1869—1959) сконструировал камеру с насосом, который регулировал объем и давление газа. (Изначально, кстати, ученый планировал сделать аппарат для создания искусственных облаков путем конденсации пара, что дало бы возможность устраивать в лаборатории грозы.) Когда Вильсон направлял в камеру катодные и рентгеновские лучи, те превращали атомы газа в ионы, а капли пара позволяли увидеть их невооруженным взглядом. Ученый чуть видоизменил свой прибор, и пар стал оседать по следу электронов, проявляя дорожку из ионизированных атомов, подобно тому как атмосферный пар формирует конденсационный след самолета.

Так был открыт новый способ изучения ионизированных газов, более того, камера Вильсона помогла ученым точно определить электрический заряд. Самый достоверный результат — 4,796×10-10 — получил американец Роберт Милликен, который догадался вдувать в камеру из распылителя масляную каплю. При трении о распылитель капля электризовалась, и по скорости ее падения в электрическом поле и вне его рассчитывалась величина заряда.

Последующие эксперименты Томсона показали: количество электронов в атоме совпадает с его номером в таблице химических элементов Менделеева. Это открытие помогло Резерфорду определить заряд ядра и, рассчитав по нему численность положительных частиц, выяснить, что она равна количеству отрицательных частиц. Поэтому атом не имеет заряда, то есть нейтрален.

В 1906 г. Томсону вручили Нобелевскую премию. Несмотря на то, что Резерфорд своими исследованиями поставил крест на его атомной модели, она стала важным шагом на пути к пониманию структуры материи.

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.

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.

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 такое его свойство, как масса, то подразумевается первая его сущность.

Масса электрона имеет ту же природу, что и масса 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.

Если навскидку попросить 100 человек назвать хотя бы три известные элементарные частицы, то, возможно, не все назовут все три, но никто не забудет назвать чемпиона по популярности – электрон. Маленький, самый легкий среди несущих заряд частиц, вездесущий и…, к сожалению, «отрицательный», он входит в состав любого вещества на Земле и уже этим заслуживает особое к себе отношение. Название частицы возникло еще в древней Греции от греческого слова «янтарь» – материал, который любили древние за его способность притягивать мелкие предметы. Затем, когда исследования электричества получили больший размах, термин «электрон» стал означать неделимую, а значит, и наименьшую единицу заряда.

Вечную жизнь электрону, как неотъемлемой частичке вещества, подарила группа физиков, руководимая Дж. Дж.Томсоном. В 1897 г. они, исследуя катодные лучи, определили, как относится масса электрона к его заряду, и установили, что это отношение не зависит от материала катода. Следующий шаг в познании природы электрона сделал Беккерель в 1900 г. В его эксперименте было доказано, что бета-лучи радия также отклоняются в электрическом поле, и у них отношение массы к заряду одинаковое с катодными лучами. Это стало неоспоримым доказательством того, что электрон – это «самостоятельный кусочек» атома любого вещества. А потом, в 1909 г., Роберт Милликен в опыте с капельками масла, которые падали в электрическом поле, сумел измерить электрическую силу, уравновешивающую силу тяжести. Тогда же стала известной величина элементарного, т.е. наименьшего, заряда:

eo = – 1,602176487(49) * 10-19 Кл.

Этого стало достаточно, чтоб была вычислена масса электрона:

me = 9,10938215(15) * 10-31кг.

Казалось бы, вот теперь порядок, все позади, но это было только начало длинного пути познания природы электрона.

Долгое время тупиком физики была еще не доказанная, но все более заявляющая о себе двуликая сущность электрона: его квантово-механические свойства указывали на частицу, а в экспериментах по интерференции электронных пучков на параллельных щелях проявлялась волновая природа. Момент истины настал в 1924 г., когда сначала Луи де Бройль наделил все материальное, и электрон тоже, волнами, названными его именем, а через 3 года Паули завершил формирование исходных понятий квантовой механики, описывающих квантовую природу частиц. Затем наступил черед и Поля Дирака – дополняя друг друга, они нашли уравнения для описания сущности электрона, в которых масса электрона и постоянная Планка, квантовые величины, нашли свое отражение через волновые характеристики – частоту и длину волны.

Безусловно, такое двуличие элементарной частицы имело далеко идущие последствия. Со временем стало понятно, что характеристики свободного электрона вне вещества (как пример – катодные лучи) – это совсем не то же самое, что у электрона в виде электрического тока в кристалле. Для свободного электрона его масса известна как «масса покоя электрона». Физическая природа различия масс электрона в разных условиях вытекает из того факта, что его энергия зависит от насыщения пространства, в котором он движется. Более глубокие «разборки» показывают, что величина магнитного поля движущихся в проводнике электронов, точнее, протекания тока в веществе, зависит не от величины заряда носителей тока, а от их массы. Но, с другой стороны, удельная энергия магнитного поля равна плотности кинетической энергии движущихся зарядов, а рост этой энергии фактически эквивалентен увеличенной массе носителей заряда, которую назвали «эффективная масса электрона». Аналитически было определено, что она больше массы свободного электрона в a/2λ раз, где a – расстояние между плоскостями, ограничивающими проводник, λ – глубина скин-слоя магнитного поля.

В физике масса электрона является одной из опорных констант. Биография электрона не закончилась – всегда актуальны и востребованы исследования, где он выступает непременным участником. Уже давно стало ясно, что хоть и маленький, элементарный, а Вселенной без него – ни шагу.

image{“smallUrl”:”https://www.wikihow.com/images_en/thumb/8/8f/Find-Electrons-Step-1-Version-2.jpg/v4-460px-Find-Electrons-Step-1-Version-2.jpg”,”bigUrl”:”https://www.wikihow.com/images/thumb/8/8f/Find-Electrons-Step-1-Version-2.jpg/v4-728px-Find-Electrons-Step-1-Version-2.jpg”,”smallWidth”:460,”smallHeight”:345,”bigWidth”:728,”bigHeight”:546,”licensing”:”</div>”} 1 Возьмите таблицу Менделеева. Это цветная таблица, в которой все известные элементы упорядочены согласно их атомной структуре. Каждый элемент обозначается символом в виде одной, двух или трех латинских букв, наряду с атомным весом и атомным номером элемента.[1]XИсточник информации

  • Таблицу Менделеева можно найти в учебниках по химии или в интернете.

image{“smallUrl”:”https://www.wikihow.com/images_en/thumb/f/f3/Find-Electrons-Step-2-Version-2.jpg/v4-460px-Find-Electrons-Step-2-Version-2.jpg”,”bigUrl”:”https://www.wikihow.com/images/thumb/f/f3/Find-Electrons-Step-2-Version-2.jpg/v4-728px-Find-Electrons-Step-2-Version-2.jpg”,”smallWidth”:460,”smallHeight”:345,”bigWidth”:728,”bigHeight”:546,”licensing”:”</div>”} 2 Найдите нужный элемент в таблице Менделеева. Элементы упорядочены по атомному номеру и разделены на три основные группы: металлы, неметаллы и металлоиды (полуметаллы). Некоторые группы носят несистематические названия, такие как щелочные металлы, галогены и благородные газы.[2]XИсточник информации. Каждый столбец таблицы называется группой, а каждая строка — периодом.

  • Если вы знаете, в какой группе или периоде находится нужный элемент, вам будет легче найти его.
  • Если вы знаете только символ элемента, просто просмотрите таблицу и найдите в ней этот символ.

image{“smallUrl”:”https://www.wikihow.com/images_en/thumb/6/6a/Find-Electrons-Step-3-Version-2.jpg/v4-460px-Find-Electrons-Step-3-Version-2.jpg”,”bigUrl”:”https://www.wikihow.com/images/thumb/6/6a/Find-Electrons-Step-3-Version-2.jpg/v4-728px-Find-Electrons-Step-3-Version-2.jpg”,”smallWidth”:460,”smallHeight”:345,”bigWidth”:728,”bigHeight”:546,”licensing”:”</div>”} 3 Выясните атомный номер элемента. Атомный номер указывается в верхнем левом углу (над символом элемента). Атомный номер равен количеству протонов в атоме элемента.[3]XИсточник информации Протоны являются частицами с положительным зарядом. Так как электроны — это частицы с отрицательным зарядом, нейтральный атом включает равное количество протонов и электронов.

  • Например, атомный номер бора (B) равен 5, то есть в атоме бора 5 протонов и 5 электронов.

Реклама

Метод 2 из 2:

Как найти число электронов в ионах с положительным/отрицательным зарядом

  1. image{“smallUrl”:”https://www.wikihow.com/images_en/thumb/0/07/Find-Electrons-Step-4-Version-2.jpg/v4-460px-Find-Electrons-Step-4-Version-2.jpg”,”bigUrl”:”https://www.wikihow.com/images/thumb/0/07/Find-Electrons-Step-4-Version-2.jpg/v4-728px-Find-Electrons-Step-4-Version-2.jpg”,”smallWidth”:460,”smallHeight”:345,”bigWidth”:728,”bigHeight”:546,”licensing”:”</div>”} 1 Выясните атомный номер элемента. Атомный номер указывается в верхнем левом углу (над символом элемента). Атомный номер равен количеству протонов в атоме элемента.[4]XИсточник информации Протоны являются частицами с положительным зарядом. Так как электроны — это частицы с отрицательным зарядом, то нейтральный атом включает равное количество протонов и электронов.
    • Например, атомный номер бора (B) равен 5, то есть в атоме бора 5 протонов и 5 электронов.
  2. image{“smallUrl”:”https://www.wikihow.com/images_en/thumb/0/07/Find-Electrons-Step-4-Version-2.jpg/v4-460px-Find-Electrons-Step-4-Version-2.jpg”,”bigUrl”:”https://www.wikihow.com/images/thumb/0/07/Find-Electrons-Step-4-Version-2.jpg/v4-728px-Find-Electrons-Step-4-Version-2.jpg”,”smallWidth”:460,”smallHeight”:345,”bigWidth”:728,”bigHeight”:546,”licensing”:”</div>”} 2 Выясните заряд иона. Если добавить или удалить электрон из атома, элемент не поменяется на другой, но зато изменится его заряд. В этом случае получится ион, такой как K+, Ca2+ или N3-. Обычно заряд указывается сверху справа от символа элемента.
    • Электрон — это частица с отрицательным зарядом, поэтому если в атом добавить электрон, получится ион с отрицательным зарядом.
    • Если из атома удалить электрон, получится ион с положительным зарядом.
    • Например, заряд N3- равен -3, а заряд Ca2+ равен +2.
  3. image{“smallUrl”:”https://www.wikihow.com/images_en/thumb/4/4d/Find-Electrons-Step-6.jpg/v4-460px-Find-Electrons-Step-6.jpg”,”bigUrl”:”https://www.wikihow.com/images/thumb/4/4d/Find-Electrons-Step-6.jpg/v4-728px-Find-Electrons-Step-6.jpg”,”smallWidth”:460,”smallHeight”:345,”bigWidth”:728,”bigHeight”:546,”licensing”:”</div>”} 3 Если дан ион с положительным зарядом, вычтите заряд из атомного номера. Если ион имеет положительный заряд, атом потерял электроны. Чтобы определить оставшееся количество электронов, вычтите заряд из атомного номера. У иона с положительным зарядом протонов больше, чем электронов.
    • Например, заряд Ca2+ равен +2, то есть у этого иона на 2 электрона меньше, чем у нейтрального атома кальция. Атомный номер кальция равен 20, поэтому у этого иона 18 электронов.
  4. image{“smallUrl”:”https://www.wikihow.com/images_en/thumb/0/09/Find-Electrons-Step-7.jpg/v4-460px-Find-Electrons-Step-7.jpg”,”bigUrl”:”https://www.wikihow.com/images/thumb/0/09/Find-Electrons-Step-7.jpg/v4-728px-Find-Electrons-Step-7.jpg”,”smallWidth”:460,”smallHeight”:345,”bigWidth”:728,”bigHeight”:546,”licensing”:”</div>”} 4 Если дан ион с отрицательным зарядом, прибавьте заряд к атомному номеру. Если ион имеет отрицательный заряд, атом получил дополнительные электроны. Чтобы определить получившееся количество электронов, прибавьте заряд к атомному номеру. У иона с отрицательным зарядом протонов меньше, чем электронов.
    • Например, заряд N3- равен -3, то есть у этого иона на 3 электрона больше, чем у нейтрального атома азота. Атомный номер азота равен 7, поэтому у этого иона 10 электронов.

    Реклама

Источники

Реклама

Оцените статью
Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Илья Коршунов
Наш эксперт
Написано статей
134
А как считаете Вы?
Напишите в комментариях, что вы думаете – согласны
ли со статьей или есть что добавить?
Добавить комментарий