Kako se može eksperimentalno odrediti masa elektrona ili protona ubrzavanjem nabijene čestice na poznatoj udaljenosti u poznatom jednoličnom električnom polju i mjerenjem njene konačne brzine? Kao što znate, ako tijelo prijeđe putanju d u smjeru sile F, tada je rad Fd utrošen na kretanje tijela jednak njegovom priraštaju kinetička energija. Ako kretanje krene iz stanja mirovanja, onda je i ovaj rad jednak konačnoj kinetičkoj energiji tijela: Fd= mv 2 /2

Dakle, ako su F, d i v poznati, onda se masa m može naći odavde.

U eksperimentima o kojima će biti reči, naelektrisane čestice koje nas zanimaju se ubrzavaju uniformom polje sile između dvije nabijene metalne ploče. Poznavajući udaljenost između ploča i broj baterija koje ih pune, možemo odrediti električna sila primijenjen na svaki elementarni naboj. Eksperimenti se izvode u vakuumu kako bi se eliminisao otpor zraka koji se pojavio u mikro-mikrobalansu. Osim toga, budući da su protoni i elektroni više od 10 11 puta lakši od plastičnih kuglica koje se koriste u mikro-mikrobalansima, gravitacijska sila se može zanemariti u ovim eksperimentima u usporedbi s električnim silama.
Određena količina vodika prolazi kroz jonizaciju u blizini para nabijenih ploča (Sl.), nakon čega neki od iona ulaze zanemarljivom brzinom kroz malu rupu u prostor između ploča. Kako se joni kreću s jedne ploče na drugu, električno polje ubrzava ione, dajući im konačnu kinetičku energiju mv 2 /2. Desna ploča ima malu rupu kroz koju neki od jona mogu ući u 0,50 m dugu komoru (Sl.). Ova komora je napravljena od provodljivog materijala i pošto nije električno polje, joni prolaze cijelom dužinom bez promjene brzine. Potrebno je samo nekoliko mikrosekundi (1 μs=10 -6 s) da jon završi čitav ovaj put. Iako je ovaj vremenski period vrlo mali, ipak ga je moguće precizno izmjeriti pomoću posebnog mjernog uređaja. Ovo omogućava precizno određivanje konačne brzine jona v.
Da bi se izmjerilo vrijeme koje je potrebno jonu da putuje od jednog do drugog kraja dugačke komore, potrebno je zabilježiti trenutak kada određeni ion napušta dati poen na lijevoj strani, a vrijeme kada isti ion stigne do krajnjeg kraja na desnoj strani. Da bismo uočili vrijeme kada određeni ion ulazi u dugačku komoru, postavljamo par malih odbojnih ploča blizu ulaza (Sl.). Mogu se koristiti za kontrolu smjera snopa vodikovih jona. Kada su otklonske ploče nabijene, bočna električna sila djeluje na ione vodika, što ih odbija od njihove putanje. Ako se, međutim, otklone ploče tada isprazne, tada će se samo oni ioni koji su tek ili kasnije ušli u komoru kretati duž uzdužne ose komore; stoga će prvi ioni koji će proći kroz rupu na drugom kraju biti oni koji su prešli cijeli put 0,50 m u vremenu od kada su ploče ispražnjene. Dolazak ovih jona registruje prijemni element postavljen iza rupe.
Za mjerenje vremenskog intervala od trenutka kada se ploče isprazne do trenutka kada prvi ioni stignu do prijemnog elementa, otklonske ploče u komori su povezane sa vertikalnim otklonskim pločama osciloskopa (Sl.). Trenutak pražnjenja ploča u dugačkoj komori označen je vrhom na krivulji ucrtanoj na ekranu osciloskopa. Senzorni element na udaljenom kraju dugačke komore je pričvršćen za iste vertikalne otklonske ploče osciloskopa (električne veze na oba kraja komore su potpuno iste). Kada snop jona uđe u prijemni element, na ekranu osciloskopa se pojavljuje drugi vrh (sl.). Dva vrha se pojavljuju na različitim mjestima na ekranu, budući da su nastali drugačije vrijeme. Tokom međuvremenskog perioda između ova dva momenta, kružni krug osciloskopa uzrokuje da se snop elektrona kreće horizontalno preko ekrana. Elektronski snop u osciloskopu putuje rastojanje između dva vrha u isto vreme kada ioni vodonika putuju 0,50 m u komori.

U modernim osciloskopima, strujni krug može uzrokovati da se snop elektrona kreće horizontalno preko ekrana cijevi od jednog do drugog kraja za nekoliko stotinki mikrosekunde. Da bi se izmjerila brzina jona, kružni krug je postavljen tako da se cijela kriva prati za 5 mikrosekundi. Tada će dva vrha na ekranu osciloskopa biti vidljivo odvojena. Mjerenjem udaljenosti između vrhova određuje se vrijeme potrebno da snop pređe dugu komoru. Odredite vremenski interval od trenutka kada snop dobije priliku da se kreće pravo napred do trenutka kada udari u prijemni element, sa tačnošću od 0,01 mikrosekunde. U slučaju vodikovih jona i baterije od 90 volti koja proizvodi ubrzanu električnu silu, vrijeme leta je 3,82 mikrosekunde. Odavde se može izračunati brzina v jona u dugoj komori. Jednako je 0,50 m / (3,82 * 10 -6 s) = = 1,31 * 10 5 m / s.
S druge strane, ploče su ovdje tačno tri puta udaljenije nego u mikro-mikrobalansu u kojem je izveden Millikanov eksperiment; osim toga, ovdje se koristi tri puta manje istih baterija. Budući da je sila po elementarnom punjenju proporcionalna broju identičnih baterija i obrnuto proporcionalna udaljenosti između ploča, na svako osnovno punjenje sada mora djelovati devet puta manja sila, tj. 1/9 * 10 -14).
Ako pretpostavimo da jedan atom vodika nosi jedan elementarni naboj, tada svaki ion između ploča doživljava upravo izraženu silu. Krećući se s jedne ploče na drugu, jon prelazi put od 9,3 10 -3 m u smjeru sile, tako da je rad obavljen na pomjeranju jona Fd = 1/9 (1,4 * 10 -14 N) * (9,3 10 -3 m) \u003d 1,4 10 -17 J. Dakle,
mv / 2 \u003d m (1,3 * 10 5 m / s) 2 / 2 = 1,4 * 10 -17 J.
Odavde, za masu vodikovog jona m nalazimo
m= 1,7 * 10 -27 kg.

Ali ova vrijednost nam je dobro poznata. U okviru tačnosti naših mjerenja, poklapa se s masom atoma vodika.
Sada možemo da sumiramo. Ako se ion vodonika nabije jednom, tada je njegova masa gotovo jednaka masi atoma vodika. Moglo bi se čak ići korak dalje i tvrditi da je ion vodonika zaista jedinični nosilac naboja i da je njegova masa praktično jednaka onoj atoma. Ovo mora biti tačno, jer bi pretpostavka da ion nosi veći naboj dovela do apsurdnog rezultata. Na primjer, ako ion nosi dva elementarna naboja, tada bi stvarna vrijednost mv 2 /2 trebala biti dvostruko veća od vrijednosti koju smo usvojili. Pošto smo izmjerili v, to može značiti samo da je masa jona dvostruko veća od naše pronađene. Takav vodikov ion bi imao masu dvostruko veću od mase atoma čiji je fragment. Ovaj zaključak je toliko nevjerojatan da ga odbacujemo.

Ranije su postojale naznake da su elektroni gradivni blokovi koji čine sve atome. Očigledno, ion vodonika je atom vodonika koji je izgubio jedan elektron. Osim toga, ni u ovom ni u drugim eksperimentima nismo naišli na pozitivno nabijen fragment vodika sa dva pozitivna elementarna naboja. Ovo je jedan od mnogih dokaza da je pozitivno nabijeni vodikov ion krajnji gradivni blok. Ovo je proton. Kada se vodonik podijeli na nabijene čestice, tada, kao što je upravo utvrđeno, gotovo cijela masa atoma pripada protonu. Prema tome, elektroni moraju biti veoma lagani. Istim instrumentima možemo izmjeriti masu elektrona i tako potvrditi ovaj zaključak.

Dakle, elektron je elementarna čestica nabijena negativno. Elektroni čine materiju koja čini sve što postoji. Također napominjemo da je elektron fermion, što ukazuje na njegov polucijeli spin, a također ima dvojnu prirodu, jer može biti i čestica materije i val. Ako se uzme u obzir takvo svojstvo kao što je masa, onda se podrazumijeva njegova prva suština.

Masa elektrona je iste prirode kao i masa bilo kojeg drugog makroskopskog objekta, ali sve se mijenja kada se brzine kretanja materijalnih čestica približe brzini svjetlosti. U ovom slučaju, relativističke mehanike, koji je nadskup klasične mehanike i proteže se na slučajeve kretanja tijela velikim brzinama.

Dakle, u klasičnoj mehanici koncept "mase mirovanja" ne postoji, jer se vjeruje da se masa tijela ne mijenja tokom njegovog kretanja. Ovu okolnost potvrđuju i eksperimentalne činjenice. Međutim, ova činjenica je samo aproksimacija za slučaj malih brzina. Spore brzine ovdje znače brzine koje su mnogo manje od brzine svjetlosti. U situaciji kada je brzina tijela uporediva sa brzinom svjetlosti, masa bilo kojeg tijela se mijenja. Elektron nije izuzetak. Štaviše, ova pravilnost ima dovoljan značaj za mikročestice. To se opravdava činjenicom da su upravo u mikrokosmosu moguće tako velike brzine pri kojima promjene mase postaju primjetne. Štaviše, na skali mikrokosmosa, ovaj efekat se javlja kontinuirano.

Povećanje mase elektrona

Dakle, kada se čestice (elektron) kreću sa relativističke brzine njihova težina se mijenja. Štaviše, što je veća brzina čestice, veća je i njena masa. Kako vrijednost brzine čestice teži brzini svjetlosti, njena masa teži beskonačnosti. U slučaju kada je brzina čestice jednaka nuli, masa postaje jednaka konstanti, koja se naziva masa mirovanja, uključujući i masu mirovanja elektrona. Razlog za ovaj efekat leži u relativističkim svojstvima čestice.

Činjenica je da je masa čestice direktno proporcionalna njenoj energiji. Isto je, pak, direktno proporcionalno zbiru kinetičke energije čestice i njene energije u mirovanju, koja sadrži masu mirovanja. Dakle, prvi član u ovom zbiru uzrokuje povećanje mase pokretne čestice (kao posljedica promjene energije).

Numerička vrijednost mase mirovanja elektrona

Masa mirovanja elektrona i drugih elementarnih čestica obično se mjeri u elektron voltima. Jedan elektron volt jednaka energiji potrošeno elementarnog naboja da se savlada razlika potencijala od jednog volta. U ovim jedinicama, masa mirovanja elektrona je 0,511 MeV.

Ako slučajno zamolite 100 ljudi da navedu barem tri poznate elementarne čestice, onda, možda, neće svi nazvati sve tri, ali niko neće zaboraviti da imenuje šampiona u popularnosti - elektrona. Najmanji, najlakši noseći nabojčestice, sveprisutne i ..., nažalost, "negativne", to je dio bilo koje supstance na Zemlji i već ovo zaslužuje poseban odnos prema sebi. Ime čestice potiče iz antičke grčke od grčke riječi "jantar" - materijal koji su drevni voljeli zbog svoje sposobnosti da privuče male predmete. Zatim, kako je proučavanje elektriciteta dobijalo zamah, termin "elektron" je počeo da znači nedeljivu, a samim tim i najmanju jedinicu naelektrisanja.

Vječni život elektrona, kao sastavnog dijela materije, dala je grupa fizičara na čelu sa J. J. Thomsonom. Godine 1897., proučavajući katodne zrake, utvrdili su kako je masa elektrona povezana s njegovim nabojem i otkrili da ovaj omjer ne ovisi o materijalu katode. Sljedeći korak u poznavanju prirode elektrona napravio je Becquerel 1900. godine. U svom eksperimentu je dokazano da se beta zraci radijuma također odbijaju u električnom polju, te da imaju istu masu prema naelektrisanju. omjer kao katodni zraci. Ovo je postao neosporan dokaz da je elektron „nezavisan komad“ atoma bilo koje supstance. A onda je 1909. Robert Milliken, u eksperimentu s kapljicama ulja koje su pale u električno polje, uspio izmjeriti električnu silu koja uravnotežuje silu gravitacije. Istovremeno, vrijednost elementarnog, tj. najmanje naplata:

eo\u003d - 1,602176487 (49) * 10-19 C.

Ovo je bilo dovoljno za izračunavanje mase elektrona:

ja = 9,10938215(15) * 10-31 kg.

Čini se da je sada sve u redu, sve je iza, ali ovo je bio samo početak dugog puta razumijevanja prirode elektrona.

Dugo vremena, ćorsokak fizike bila je još nedokazana, ali sve snažnija, dvolična priroda elektrona: njegova kvantnomehanička svojstva ukazivala su na česticu, a u eksperimentima o interferenciji elektronskih zraka na paralelnim prorezima, talas priroda se manifestovala. Trenutak istine došao je 1924. godine, kada je najprije Louis de Broglie sve materijalno, pa i elektron, obdario valovima nazvanim po njemu, a nakon 3 godine Pauli je završio formiranje početnih koncepata. kvantna mehanika opisivati kvantna prirodačestice. Zatim je došao red na Dirac Fields – nadopunjujući jedno drugo, pronašli su jednadžbe za opisivanje suštine elektrona, u kojima se masa elektrona i Planckove konstante, kvantne veličine, reflektiraju kroz valne karakteristike – frekvenciju i valnu dužinu.

Naravno, takva dvoličnost elementarna čestica imale dalekosežne posledice. S vremenom je postalo jasno da karakteristike slobodnog elektrona izvan materije (na primjer, katodne zrake) uopće nisu iste kao karakteristike elektrona u obliku električna struja u kristalu. Za slobodni elektron, njegova masa je poznata kao "masa mirovanja elektrona". Fizička priroda razlike u masama elektrona pod različitim uslovima proizilazi iz činjenice da njegova energija zavisi od zasićenosti prostora u kojem se kreće. Dublje "rastavljanje" pokazuje da je vrijednost magnetsko polje elektrona koji se kreću u vodiču, tačnije, protok struje u tvari, ne ovisi o veličini naboja nosilaca struje, već o njihovoj masi. Ali, s druge strane, specifična energija magnetskog polja jednaka je gustoći kinetičke energije pokretnih naboja, a rast te energije je zapravo ekvivalent povećanoj masi nosioca naboja, što je nazvano „efikasna masa elektrona." Analitički je utvrđeno da je a/2λ puta veća od mase slobodnog elektrona, gdje je a razmak između ravnina koje omeđuju provodnik, λ je dubina kožnog sloja magnetnog polja.

U fizici, masa elektrona je jedna od referentnih konstanti. Biografija elektrona nije završila - studije u kojima je on nezamjenjiv sudionik uvijek su relevantne i tražene. Odavno je jasno da, iako mali, elementarni, Univerzum bez toga ne može napraviti ni korak.