Cum se poate determina experimental masa unui electron sau a unui proton prin accelerarea unei particule încărcate pe un segment cunoscut al căii într-un câmp electric uniform cunoscut și măsurarea vitezei sale finale? După cum știți, dacă corpul parcurge o cale d în direcția forței F, atunci munca Fd cheltuită pentru deplasarea corpului este egală cu creșterea acestuia. energie kinetică. Dacă mișcarea începe dintr-o stare de repaus, atunci acest lucru este egal cu energia cinetică finală a corpului: Fd= mv 2 /2

Astfel, dacă se cunosc F, d și v, atunci masa m poate fi găsită de aici.

În experimentele care vor fi discutate, particulele încărcate care ne interesează sunt accelerate de o uniformă Câmp de forțăîntre două plăci metalice încărcate. Cunoscând distanța dintre plăci și numărul de baterii care le încarcă, putem determina forta electrica aplicat fiecărei sarcini elementare. Experimentele se desfășoară în vid pentru a elimina rezistența aerului care a apărut în micro-microbalanță. În plus, deoarece protonii și electronii sunt de peste 10 11 ori mai ușoare decât bilele de plastic folosite în micro-microbalanțele, forța gravitațională poate fi neglijată în aceste experimente în comparație cu forțele electrice.
O anumită cantitate de hidrogen suferă ionizare în apropierea unei perechi de plăci încărcate (Fig.), după care unii dintre ioni intră cu o viteză neglijabilă printr-o mică gaură în spațiul dintre plăci. Pe măsură ce ionii se deplasează de la o placă la alta, câmpul electric accelerează ionii, dându-le o energie cinetică finită mv 2 /2. Placa din dreapta are un mic orificiu prin care unii dintre ioni pot intra într-o cameră de 0,50 m lungime (Fig.). Această cameră este realizată din material conductiv și din moment ce nu este câmp electric, ionii trec pe toată lungimea sa fără a-și schimba viteza. Este nevoie de doar câteva microsecunde (1 μs=10 -6 s) pentru ca ionul să parcurgă acest întreg drum. Deși această perioadă de timp este foarte mică, este totuși posibil să o măsurați cu precizie folosind un dispozitiv special de măsurare. Acest lucru face posibilă determinarea cu precizie a vitezei finale a ionilor v.
Pentru a măsura timpul necesar unui ion pentru a călători de la un capăt la altul al unei camere lungi, este necesar să notăm momentul în care un anumit ion părăsește punct datîn stânga și momentul în care același ion ajunge la capătul îndepărtat din dreapta. Pentru a observa momentul în care un anumit ion intră într-o cameră lungă, plasăm o pereche de plăci mici deflectorite lângă intrare (Fig.). Ele pot fi utilizate pentru a controla direcția fasciculului de ioni de hidrogen. Atunci când plăcile de deviație sunt încărcate, o forță electrică laterală acționează asupra ionilor de hidrogen, ceea ce îi îndepărtează de traiectoria lor. Dacă, totuși, plăcile de deviere sunt apoi descărcate, atunci numai acei ioni care tocmai au intrat sau mai târziu în cameră se vor deplasa de-a lungul axei longitudinale a camerei; prin urmare, primii ioni care trec prin gaura de la capătul îndepărtat vor fi cei care au parcurs tot drumul 0,50 m în timpul de când plăcile au fost descărcate. Sosirea acestor ioni este înregistrată de un element de primire plasat în spatele găurii.
Pentru a măsura intervalul de timp de la momentul în care plăcile sunt descărcate până la momentul în care primii ioni ajung la elementul receptor, plăcile de deflectare din cameră sunt conectate la plăcile de deviere verticale ale osciloscopului (Fig.). Momentul de descărcare a plăcilor în camera lungă este marcat de un vârf pe curba desenată pe ecranul osciloscopului. Elementul de detectare de la capătul îndepărtat al camerei lungi este conectat la aceleași plăci verticale de deviere ale osciloscopului (conexiunile electrice ale ambelor capete ale camerei sunt exact aceleași). Când fasciculul ionic intră în elementul receptor, pe ecranul osciloscopului apare un al doilea vârf (Fig.). Cele două vârfuri apar în locuri diferite pe ecran, deoarece își au originea în timp diferit. În timpul intermediar dintre aceste două momente, circuitul de baleiaj al osciloscopului face ca fasciculul de electroni să se miște orizontal pe ecran. Un fascicul de electroni dintr-un osciloscop parcurge distanța dintre două vârfuri în același timp în care ionii de hidrogen parcurg 0,50 m în cameră.


În osciloscoapele moderne, circuitul de baleiaj poate face ca fasciculul de electroni să se deplaseze orizontal pe ecranul tubului de la un capăt la altul în câteva sutimi de microsecundă. Pentru a măsura viteza ionului, circuitul de baleiaj este configurat astfel încât întreaga curbă să fie trasată în 5 microsecunde. Apoi cele două vârfuri de pe ecranul osciloscopului vor fi vizibil separate. Măsurând distanța dintre vârfuri, se determină timpul necesar ca fasciculul să traverseze camera lungă. Găsiți intervalul de timp din momentul în care fasciculul are ocazia să se deplaseze drept înainte și până în momentul în care lovește elementul receptor, cu o precizie de 0,01 microsecunde. În cazul ionilor de hidrogen și a unei baterii de 90 de volți care produce o forță electrică de accelerare, timpul de zbor este de 3,82 microsecunde. De aici se poate calcula viteza v a ionilor într-o cameră lungă. Este egal cu 0,50 m / (3,82 * 10 -6 s) = = 1,31 * 10 5 m / s.
Pe de altă parte, plăcile de aici sunt exact de trei ori mai îndepărtate decât în ​​micro-microbalanța în care a fost efectuat experimentul Millikan; în plus, aici se folosesc de trei ori mai puține baterii din aceleași baterii. Deoarece forța pe sarcină elementară este proporțională cu numărul de baterii identice și invers proporțională cu distanța dintre plăci, acum trebuie să acționeze de nouă ori mai puțină forță asupra fiecărei sarcini elementare, adică 1/9 * 10 -14).
Dacă presupunem că un atom de hidrogen poartă o sarcină elementară, atunci fiecare ion dintre plăci experimentează forța tocmai exprimată. Trecând de la o placă la alta, ionul parcurge o cale de 9,3 10 -3 m în direcția forței, astfel încât munca efectuată pentru deplasarea ionului este Fd = 1/9 (1,4 * 10 -14 N) * (9,3 10 -3 m) \u003d 1,4 10 -17 J. Prin urmare,
mv / 2 \u003d m (1,3 * 10 5 m / s) 2 / 2 \u003d 1,4 * 10 -17 J.
De aici, pentru masa ionului de hidrogen m găsim
m= 1,7 * 10 -27 kg.


Dar această valoare ne este bine cunoscută. În precizia măsurătorilor noastre, aceasta coincide cu masa atomului de hidrogen.
Acum putem rezuma. Dacă un ion de hidrogen este încărcat o dată, atunci masa lui este aproape egală cu masa unui atom de hidrogen. S-ar putea chiar să meargă un pas mai departe și să susțină că ionul de hidrogen este într-adevăr un purtător de sarcină unitară și că masa sa este practic egală cu cea a atomului. Acest lucru trebuie să fie corect, deoarece presupunerea că ionul poartă mai multă sarcină ar duce la un rezultat absurd. De exemplu, dacă un ion poartă două sarcini elementare, atunci valoarea reală a mv 2 /2 ar trebui să fie de două ori mai mare decât valoarea pe care am adoptat-o. Deoarece am măsurat v, aceasta poate însemna doar că masa ionului este de două ori mai mare decât cea găsită de noi. Un astfel de ion de hidrogen ar avea o masă de două ori mai mare decât a atomului din care este un fragment. Această concluzie este atât de neplauzibilă încât o renunțăm.


Anterior, existau indicii că electronii sunt blocurile de construcție care formează toți atomii. Aparent, ionul de hidrogen este un atom de hidrogen care a pierdut un electron. În plus, nici în acest experiment, nici în alte experimente nu am întâlnit un fragment de hidrogen încărcat pozitiv cu două sarcini elementare pozitive. Aceasta este una dintre numeroasele dovezi că ionul de hidrogen încărcat pozitiv este elementul de construcție suprem. Acesta este un proton. Când hidrogenul este împărțit în particule încărcate, atunci, așa cum tocmai s-a stabilit, aproape întreaga masă a atomului aparține protonului. Prin urmare, electronii trebuie să fie foarte ușori. Se pot folosi aceleași instrumente pentru a măsura masa unui electron și, astfel, a verifica această concluzie.

Deci, un electron este o particulă elementară încărcată negativ. Electronii formează materia care alcătuiește tot ceea ce există. De asemenea, observăm că electronul este un fermion, care indică spinul său semiîntreg și are, de asemenea, o natură duală, deoarece poate fi atât o particulă de materie, cât și o undă. Dacă se ia în considerare o astfel de proprietate precum masa, atunci este implicată prima sa esență.

Masa unui electron este de aceeași natură cu masa oricărui alt obiect macroscopic, dar totul se schimbă atunci când viteza de mișcare a particulelor materiale devin apropiate de viteza luminii. În acest caz, mecanică relativistă, care este un supraset al mecanicii clasice și se extinde la cazurile de mișcare a corpurilor la viteze mari.

Deci, în mecanica clasică, conceptul de „masă de odihnă” nu există, deoarece se crede că masa unui corp nu se modifică în timpul mișcării sale. Această împrejurare este confirmată și de faptele experimentale. Cu toate acestea, acest fapt este doar o aproximare pentru cazul vitezelor mici. Viteze mici aici înseamnă viteze care sunt mult mai mici decât viteza luminii. Într-o situație în care viteza unui corp este comparabilă cu viteza luminii, masa oricărui corp se modifică. Electronul nu face excepție. Mai mult, această regularitate are o semnificație suficientă pentru microparticule. Acest lucru este justificat de faptul că în microcosmos sunt posibile viteze atât de mari la care schimbările de masă devin vizibile. Mai mult, la scara microcosmosului, acest efect apare continuu.

Creșterea masei electronilor

Deci, atunci când particulele (electronul) se mișcă cu viteze relativiste greutatea lor se modifică. Mai mult, cu cât viteza particulei este mai mare, cu atât este mai mare masa acesteia. Pe măsură ce valoarea vitezei particulei tinde spre viteza luminii, masa acesteia tinde spre infinit. În cazul în care viteza particulei este egală cu zero, masa devine egală cu o constantă, care se numește masă în repaus, inclusiv masa în repaus a electronului. Motivul acestui efect constă în proprietățile relativiste ale particulei.

Faptul este că masa unei particule este direct proporțională cu energia acesteia. Același, la rândul său, este direct proporțional cu suma energiei cinetice a particulei și a energiei sale în repaus, care conține masa în repaus. Astfel, primul termen din această sumă determină creșterea masei particulei în mișcare (ca o consecință a modificării energiei).

Valoarea numerică a masei în repaus a electronului

Masa în repaus a unui electron și a altor particule elementare este de obicei măsurată în electron volți. Un electron volt este egal cu energie a petrecut sarcina elementara pentru a depăși o diferență de potențial de un volt. În aceste unități, masa în repaus a unui electron este de 0,511 MeV.

Dacă cereți din mâna a 100 de oameni să numească cel puțin trei particule elementare cunoscute, atunci, poate, nu toată lumea le va numi pe toate trei, dar nimeni nu va uita să numească campionul în popularitate - electronul. Cel mai mic, cel mai usor purtând o taxă particule, omniprezentă și..., din păcate, „negativă”, face parte din orice substanță de pe Pământ și deja aceasta merită o atitudine specială față de sine. Numele particulei își are originea în Grecia antică din cuvântul grecesc „chihlimbar” - un material îndrăgit de antici pentru capacitatea sa de a atrage obiecte mici. Apoi, pe măsură ce studiul electricității a câștigat avânt, termenul „electron” a ajuns să însemne unitatea de sarcină indivizibilă și, prin urmare, cea mai mică.

Viața eternă a electronului, ca parte integrantă a materiei, a fost dată de un grup de fizicieni condus de J. J. Thomson. În 1897, în timp ce studiau razele catodice, au determinat modul în care masa unui electron se raportează la sarcina sa și au descoperit că acest raport nu depinde de materialul catodului. Următorul pas în cunoașterea naturii electronului a fost făcut de Becquerel în 1900. În experimentul său, s-a dovedit că razele beta de radiu sunt, de asemenea, deviate într-un câmp electric și au aceeași masă la încărcare. raport ca raze catodice. Aceasta a devenit dovada incontestabilă că un electron este o „piesă independentă” a unui atom de orice substanță. Și apoi, în 1909, Robert Milliken, într-un experiment cu picături de ulei care cădeau într-un câmp electric, a reușit să măsoare forța electrică care echilibrează forța gravitației. În același timp, valoarea elementului, adică. cel mai mic tarif:

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

Acesta a fost suficient pentru a calcula masa electronului:

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

S-ar părea că acum totul este în ordine, totul este în urmă, dar acesta a fost doar începutul unei lungi călătorii de înțelegere a naturii electronului.

Pentru o lungă perioadă de timp, capătul mort al fizicii a fost natura încă nedovedită, dar din ce în ce mai asertivă a electronului cu două fețe: proprietățile sale mecanice cuantice au indicat o particule, iar în experimentele privind interferența fasciculelor de electroni pe fante paralele, o natura valului s-a manifestat. Momentul adevărului a venit în 1924, când la început Louis de Broglie a înzestrat tot ce este material, și electronul, cu unde numite după el, iar după 3 ani Pauli a finalizat formarea conceptelor inițiale. mecanica cuantică descriind natura cuantică particule. Apoi a venit rândul Câmpurilor Dirac - completându-se reciproc, au găsit ecuații pentru descrierea esenței unui electron, în care masa electronului și cantitățile constante, cuantice ale lui Planck, sunt reflectate prin caracteristicile undei - frecvența și lungimea de undă.

Desigur, o asemenea duplicitate particulă elementară a avut consecințe de amploare. De-a lungul timpului, a devenit clar că caracteristicile unui electron liber în afara materiei (de exemplu, razele catodice) nu sunt deloc aceleași cu cele ale unui electron sub formă curent electricîntr-un cristal. Pentru un electron liber, masa sa este cunoscută sub denumirea de „masă în repaus a electronilor”. Natura fizică a diferenței de masă a unui electron în diferite condiții rezultă din faptul că energia acestuia depinde de saturația spațiului în care se mișcă. „Dezasamblarea” mai profundă arată că valoarea camp magnetic electronii care se deplasează într-un conductor, mai precis, fluxul de curent într-o substanță, depinde nu de mărimea sarcinii purtătorilor de curent, ci de masa acestora. Dar, pe de altă parte, energia specifică a câmpului magnetic este egală cu densitatea energiei cinetice a sarcinilor în mișcare, iar creșterea acestei energii este de fapt echivalentă cu masa crescută a purtătorilor de sarcină, care a fost numită „eficientă”. masa electronului”. S-a determinat analitic că este a/2λ ori mai mare decât masa unui electron liber, unde a este distanța dintre planurile care limitează conductorul, λ este adâncimea stratului de piele al câmpului magnetic.

În fizică, masa unui electron este una dintre constantele de referință. Biografia electronului nu s-a încheiat - studiile în care el este un participant indispensabil sunt întotdeauna relevante și solicitate. De mult a fost clar că, deși mic, elementar, Universul nu poate face un pas fără el.