Si mund të përcaktohet eksperimentalisht masa e një elektroni ose një protoni duke përshpejtuar një grimcë të ngarkuar në një distancë të njohur në një fushë elektrike uniforme të njohur dhe duke matur shpejtësinë e saj përfundimtare? Siç e dini, nëse trupi përshkon një shteg d në drejtim të forcës F, atëherë puna Fd e shpenzuar për lëvizjen e trupit është e barabartë me rritjen e tij. energjia kinetike. Nëse lëvizja fillon nga një gjendje pushimi, atëherë edhe kjo punë është e barabartë me energjinë kinetike përfundimtare të trupit: Fd= mv 2/2

Kështu, nëse F, d dhe v njihen, atëherë masa m mund të gjendet nga këtu.

Në eksperimentet që do të diskutohen, grimcat e ngarkuara me interes për ne përshpejtohen nga një uniformë fushë force midis dy pllakave metalike të ngarkuara. Duke ditur distancën midis pllakave dhe numrin e baterive që i ngarkojnë ato, ne mund të përcaktojmë forcë elektrike aplikuar për çdo ngarkesë elementare. Eksperimentet kryhen në vakum për të eliminuar rezistencën e ajrit që ndodhi në mikro-mikrobalancë. Përveç kësaj, meqenëse protonet dhe elektronet janë më shumë se 10 11 herë më të lehta se topat plastikë të përdorur në mikro-mikrobalancat, forca gravitacionale mund të neglizhohet në këto eksperimente në krahasim me forcat elektrike.
Një sasi e caktuar hidrogjeni i nënshtrohet jonizimit pranë një çifti pllakash të ngarkuara (Fig.), pas së cilës disa nga jonet hyjnë me një shpejtësi të papërfillshme përmes një vrime të vogël në hapësirën midis pllakave. Ndërsa jonet lëvizin nga një pllakë në tjetrën, fusha elektrike i përshpejton jonet, duke u dhënë atyre një energji kinetike të fundme mv 2/2. Pllaka e djathtë ka një vrimë të vogël përmes së cilës disa nga jonet mund të hyjnë në një dhomë të gjatë 0,50 m (Fig.). Kjo dhomë është bërë nga materiali përcjellës dhe meqë nuk është fushe elektrike, jonet kalojnë në të gjithë gjatësinë e saj pa ndryshuar shpejtësinë e tyre. Duhen vetëm disa mikrosekonda (1 μs=10 -6 s) që joni të përfundojë të gjithë këtë rrugë. Edhe pse kjo periudhë kohore është shumë e vogël, është ende e mundur të matet me saktësi duke përdorur një pajisje matëse të veçantë. Kjo bën të mundur përcaktimin e saktë të shpejtësisë përfundimtare të joneve v.
Për të matur kohën që i duhet një joni për të udhëtuar nga njëri skaj në tjetrin të një dhome të gjatë, është e nevojshme të shënohet momenti kur një jon i caktuar largohet. pikë e dhënë në të majtë, dhe koha kur i njëjti jon arrin skajin më të largët në të djathtë. Për të vërejtur kohën kur një jon i caktuar hyn në një dhomë të gjatë, vendosim një palë pllaka të vogla devijuese pranë hyrjes (Fig.). Ato mund të përdoren për të kontrolluar drejtimin e rrezes së joneve të hidrogjenit. Kur pllakat e devijimit ngarkohen, një forcë elektrike anësore vepron mbi jonet e hidrogjenit, e cila i largon ata nga trajektorja e tyre. Megjithatë, nëse pllakat devijuese shkarkohen më pas, atëherë vetëm ato jone që sapo kanë hyrë ose më vonë në dhomë do të lëvizin përgjatë boshtit gjatësor të dhomës; prandaj, jonet e para që do të kalojnë përmes vrimës në skajin e largët do të jenë ata që kanë udhëtuar gjatë gjithë rrugës 0,50 m në kohën që nga shkarkimi i pllakave. Ardhja e këtyre joneve regjistrohet nga një element marrës i vendosur pas vrimës.
Për të matur intervalin kohor nga momenti i shkarkimit të pllakave deri në momentin që jonet e para mbërrijnë në elementin marrës, pllakat devijuese në dhomë lidhen me pllakat devijuese vertikale të oshiloskopit (Fig.). Momenti i shkarkimit të pllakave në dhomën e gjatë shënohet nga një kulm në kurbë të vizatuar në ekranin e oshiloskopit. Elementi ndijues në skajin e largët të dhomës së gjatë është ngjitur në të njëjtat pllaka devijimi vertikal të oshiloskopit (lidhjet elektrike të të dy skajeve të dhomës janë saktësisht të njëjta). Kur tufa jonike hyn në elementin marrës, një kulm i dytë shfaqet në ekranin e oshiloskopit (Fig.). Dy majat shfaqen në vende të ndryshme në ekran, që kur e kanë origjinën kohë të ndryshme. Gjatë kohës së ndërmjetme ndërmjet këtyre dy momenteve, qarku fshirës i oshiloskopit bën që tufa elektronike të lëvizë horizontalisht nëpër ekran. Një rreze elektronike në një oshiloskop përshkon distancën midis dy majave në të njëjtën kohë kur jonet e hidrogjenit udhëtojnë 0,50 m në dhomë.


Në oshiloskopët modernë, qarku i fshirjes mund të bëjë që tufa elektronike të lëvizë horizontalisht nëpër ekranin e tubit nga njëri skaj në tjetrin në disa të qindtat e një mikrosekondi. Për të matur shpejtësinë e joneve, qarku i fshirjes është vendosur në mënyrë që e gjithë kurba të gjurmohet në 5 mikrosekonda. Pastaj dy majat në ekranin e oshiloskopit do të ndahen dukshëm. Duke matur distancën midis majave, përcaktohet koha që duhet të kalojë trau në dhomën e gjatë. Gjeni intervalin kohor nga momenti kur rrezes i jepet mundësia për të lëvizur drejt përpara deri në momentin kur godet elementin marrës, me një saktësi prej 0,01 mikrosekonda. Në rastin e joneve të hidrogjenit dhe një baterie 90 volt që prodhon një forcë elektrike përshpejtuese, koha e fluturimit është 3,82 mikrosekonda. Nga këtu mund të llogaritet shpejtësia v e joneve në një dhomë të gjatë. Është e barabartë me 0,50 m / (3,82 * 10 -6 s) = = 1,31 * 10 5 m / s.
Nga ana tjetër, pllakat këtu janë saktësisht tre herë më larg se sa në mikro-mikrobalancën në të cilën u krye eksperimenti Millikan; përveç kësaj, këtu përdoren tre herë më pak të njëjtat bateri. Meqenëse forca për ngarkesë elementare është proporcionale me numrin e baterive identike dhe në përpjesëtim të zhdrejtë me distancën midis pllakave, tani duhet të veprojë nëntë herë më pak forcë në secilën ngarkesë elementare, d.m.th. 1/9 * 10 -14).
Nëse supozojmë se një atom hidrogjeni mbart një ngarkesë elementare, atëherë çdo jon midis pllakave përjeton forcën e sapo shprehur. Duke lëvizur nga një pllakë në tjetrën, joni përshkon një rrugë prej 9,3 10 -3 m në drejtim të forcës, kështu që puna e bërë për të lëvizur jonin është Fd = 1/9 (1,4 * 10 -14 N) * (9,3 10 -3 m) \u003d 1.4 10 -17 J. Prandaj,
mv / 2 \u003d m (1,3 * 10 5 m / s) 2 / 2 \u003d 1,4 * 10 -17 J.
Prej këtu, për masën e jonit të hidrogjenit m gjejmë
m= 1,7 * 10 -27 kg.


Por kjo vlerë është e njohur për ne. Brenda saktësisë së matjeve tona, ajo përkon me masën e atomit të hidrogjenit.
Tani mund të përmbledhim. Nëse një jon hidrogjeni ngarkohet një herë, atëherë masa e tij është pothuajse e barabartë me masën e një atomi hidrogjeni. Dikush mund të shkojë edhe një hap më tej dhe të argumentojë se joni i hidrogjenit është me të vërtetë një bartës ngarkues njësi dhe se masa e tij është praktikisht e barabartë me atë të atomit. Kjo duhet të jetë e saktë, pasi supozimi se joni mbart më shumë ngarkesë do të çonte në një rezultat absurd. Për shembull, nëse një jon mbart dy ngarkesa elementare, atëherë vlera aktuale e mv 2/2 duhet të jetë dyfishi i vlerës që kemi adoptuar. Meqenëse matëm v, kjo mund të nënkuptojë vetëm se masa e jonit është dyfishi i asaj që kemi gjetur. Një jon i tillë hidrogjeni do të kishte një masë sa dyfishi i atomit të të cilit është një fragment. Ky përfundim është aq i pabesueshëm sa ne e hedhim poshtë.


Më parë, kishte indikacione se elektronet janë blloqet ndërtuese që përbëjnë të gjithë atomet. Me sa duket, joni i hidrogjenit është një atom hidrogjeni që ka humbur një elektron. Përveç kësaj, as në këtë dhe as në eksperimentet e tjera nuk kemi hasur në një fragment hidrogjeni të ngarkuar pozitivisht me dy ngarkesa elementare pozitive. Kjo është një nga provat e shumta që joni i hidrogjenit i ngarkuar pozitivisht është blloku përfundimtar i ndërtimit. Ky është një proton. Kur hidrogjeni ndahet në grimca të ngarkuara, atëherë, siç sapo është vërtetuar, pothuajse e gjithë masa e atomit i përket protonit. Prandaj, elektronet duhet të jenë shumë të lehta. Të njëjtat instrumente mund të përdoren për të matur masën e një elektroni dhe kështu të verifikohet ky përfundim.

Pra, një elektron është një grimcë elementare e ngarkuar negativisht. Elektronet përbëjnë lëndën që përbën gjithçka që ekziston. Vëmë re gjithashtu se elektroni është një fermion, i cili tregon rrotullimin e tij gjysmë të plotë, dhe gjithashtu ka një natyrë të dyfishtë, sepse mund të jetë edhe një grimcë materies dhe një valë. Nëse merret parasysh një pronë e tillë si masa, atëherë nënkuptohet thelbi i parë i saj.

Masa e një elektroni është e së njëjtës natyrë si masa e çdo objekti tjetër makroskopik, por gjithçka ndryshon kur shpejtësitë e lëvizjes së grimcave materiale bëhen afër shpejtësisë së dritës. Në këtë rast, mekanika relativiste, e cila është një superbashkësi e mekanikës klasike dhe shtrihet në rastet e lëvizjes së trupave me shpejtësi të madhe.

Pra, në mekanikën klasike, koncepti i "masës së pushimit" nuk ekziston, sepse besohet se masa e një trupi nuk ndryshon gjatë lëvizjes së tij. Kjo rrethanë vërtetohet edhe nga fakte eksperimentale. Megjithatë, ky fakt është vetëm një përafrim për rastin e shpejtësive të ulëta. Shpejtësitë e ngadalta këtu nënkuptojnë shpejtësi që janë shumë më të vogla se shpejtësia e dritës. Në një situatë ku shpejtësia e një trupi është e krahasueshme me shpejtësinë e dritës, masa e çdo trupi ndryshon. Elektroni nuk bën përjashtim. Për më tepër, kjo rregullsi ka rëndësi të mjaftueshme për mikrogrimcat. Kjo justifikohet me faktin se është në mikrokozmos që shpejtësi të tilla të larta janë të mundshme në të cilat ndryshimet në masë bëhen të dukshme. Për më tepër, në shkallën e mikrokozmosit, ky efekt ndodh vazhdimisht.

Rritja e masës së elektroneve

Pra, kur grimcat (elektroni) lëvizin me shpejtësi relativiste pesha e tyre ndryshon. Për më tepër, sa më e madhe të jetë shpejtësia e grimcave, aq më e madhe është masa e saj. Ndërsa vlera e shpejtësisë së grimcës priret në shpejtësinë e dritës, masa e saj priret në pafundësi. Në rastin kur shpejtësia e grimcës është e barabartë me zero, masa bëhet e barabartë me një konstante, e cila quhet masë e qetë, duke përfshirë masën e pushimit të elektronit. Arsyeja e këtij efekti qëndron në vetitë relativiste të grimcave.

Fakti është se masa e një grimce është drejtpërdrejt proporcionale me energjinë e saj. E njëjta, nga ana tjetër, është drejtpërdrejt proporcionale me shumën e energjisë kinetike të grimcës dhe energjisë së saj në qetësi, e cila përmban masën e pushimit. Kështu, termi i parë në këtë shumë shkakton rritjen e masës së grimcës në lëvizje (si pasojë e ndryshimit të energjisë).

Vlera numerike e masës së mbetur të elektronit

Masa e mbetur e një elektroni dhe grimcave të tjera elementare zakonisht matet në elektron volt. Një elektron volt është e barabartë me energji shpenzuar ngarkesë elementare për të kapërcyer një diferencë potenciale prej një volt. Në këto njësi, masa e pushimit të një elektroni është 0,511 MeV.

Nëse i kërkoni 100 njerëzve të emërojnë të paktën tre grimca elementare të njohura, atëherë, ndoshta, jo të gjithë do t'i emërojnë të treja, por askush nuk do të harrojë të emërojë kampionin në popullaritet - elektronin. Më e vogla, më e lehta duke mbajtur një pagesë grimca, të kudogjendura dhe ..., për fat të keq, "negative", është pjesë e çdo substance në Tokë dhe tashmë kjo meriton një qëndrim të veçantë ndaj vetvetes. Emri i grimcës e ka origjinën në Greqia e lashte nga fjala greke "qelibar" - një material i dashur nga të lashtët për aftësinë e tij për të tërhequr objekte të vogla. Më pas, ndërsa studimi i energjisë elektrike fitoi vrull, termi "elektron" erdhi në kuptimin e njësisë së pandashme, dhe rrjedhimisht, më të vogël të ngarkesës.

Jeta e përjetshme e elektronit, si pjesë përbërëse e materies, u dha nga një grup fizikantësh të udhëhequr nga J. J. Thomson. Në vitin 1897, ndërsa studionin rrezet katodike, ata përcaktuan se si masa e një elektroni lidhet me ngarkesën e tij dhe zbuluan se ky raport nuk varet nga materiali i katodës. Hapi tjetër në njohjen e natyrës së elektronit u bë nga Bekereli në vitin 1900. Në eksperimentin e tij, u vërtetua se rrezet beta të radiumit devijohen gjithashtu në një fushë elektrike, dhe ato kanë të njëjtën masë në ngarkesë. raporti si rrezet katodike. Kjo u bë provë e padiskutueshme se një elektron është një "pjesë e pavarur" e një atomi të çdo substance. Dhe më pas, në vitin 1909, Robert Milliken, në një eksperiment me pikat e naftës që ranë në një fushë elektrike, ishte në gjendje të matë forcën elektrike që balancon forcën e gravitetit. Në të njëjtën kohë, vlera e elementares, d.m.th. tarifa më e vogël:

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

Kjo ishte e mjaftueshme për të llogaritur masën e elektronit:

unë = 9,10938215(15) * 10-31 kg.

Duket se tani gjithçka është në rregull, gjithçka është prapa, por ky ishte vetëm fillimi i një udhëtimi të gjatë për të kuptuar natyrën e elektronit.

Për një kohë të gjatë, ngërçi i fizikës ishte natyra ende e paprovuar, por gjithnjë e më e sigurt, me dy fytyra të elektronit: vetitë e tij mekanike kuantike tregonin një grimcë, dhe në eksperimentet mbi ndërhyrjen e rrezeve elektronike në çarje paralele, një valë. natyra u shfaq. Momenti i së vërtetës erdhi në vitin 1924, kur në fillim Louis de Broglie pajisi gjithçka materiale, dhe elektronin gjithashtu, me valë të emërtuara me emrin e tij, dhe pas 3 vjetësh Pauli përfundoi formimin e koncepteve fillestare. Mekanika kuantike duke përshkruar natyra kuantike grimcat. Më pas erdhi radha e Dirakut Fields - duke plotësuar njëra-tjetrën, ata gjetën ekuacione për përshkrimin e thelbit të një elektroni, në të cilin masa e elektroneve dhe sasitë kuantike, konstante të Planck-ut, reflektoheshin përmes karakteristikave të valës - frekuencës dhe gjatësisë së valës.

Natyrisht, dyfishim i tillë grimcë elementare pati pasoja të gjera. Me kalimin e kohës, u bë e qartë se karakteristikat e një elektroni të lirë jashtë materies (për shembull, rrezet katodike) nuk janë aspak të njëjta me ato të një elektroni në formë rryme elektrike në një kristal. Për një elektron të lirë, masa e tij njihet si "masa e pushimit të elektroneve". Natyra fizike e ndryshimit në masat e një elektroni në kushte të ndryshme rrjedh nga fakti se energjia e tij varet nga ngopja e hapësirës në të cilën ai lëviz. "Çmontimi" më i thellë tregon se vlera fushë magnetike elektronet që lëvizin në një përcjellës, më saktë, rrjedha e rrymës në një substancë, nuk varet nga madhësia e ngarkesës së bartësve të rrymës, por nga masa e tyre. Por, nga ana tjetër, energjia specifike e fushës magnetike është e barabartë me densitetin e energjisë kinetike të ngarkesave lëvizëse, dhe rritja e kësaj energjie është në fakt ekuivalente me masën e rritur të bartësve të ngarkesës, e cila u quajt "efektive". masa e elektronit." Në mënyrë analitike u përcaktua se është a/2λ herë më e madhe se masa e një elektroni të lirë, ku a është distanca ndërmjet planeve që kufizojnë përcjellësin, λ është thellësia e shtresës së lëkurës së fushës magnetike.

Në fizikë, masa e një elektroni është një nga konstantet e referencës. Biografia e elektronit nuk ka mbaruar - studimet ku ai është një pjesëmarrës i domosdoshëm janë gjithmonë të rëndësishme dhe të kërkuara. Prej kohësh është e qartë se, megjithëse i vogël, elementar, Universi nuk mund të bëjë asnjë hap pa të.