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.

В современных осциллографах цепь развертки может вызвать горизонтальное перемещение электронного пучка на экране трубки от одного конца до другого за несколько сотых долей микросекунды. Для измерения скорости ионов цепь развертки настраивается так, чтобы вся кривая проходилась за 5 микросекунд. Тогда два пика на экране осциллографа будут заметно разделены. Измерением расстояния между пиками определяется время, за которое пучок пересекает длинную камеру. Находят промежуток времени от момента, когда пучок получает возможность двигаться прямо вперед, до момента, когда он попадает в воспринимающий элемент, с точностью до 0,01 микросекунды. В случае ионов водорода и 90- вольтовой батареи, создающей ускоряющую электрическую силу, время пролета равно 3,82 микросекунды. Отсюда можно вычислить скорость v ионов в длинной камере. Она равна 0,50 м/(3,82*10 -6 с) = = 1,31*10 5 м/с.
С другой стороны, пластины здесь ровно втрое дальше друг от друга, чем в микро-микровесах, в которых производился опыт Милликена,; кроме того, здесь используется втрое меньше таких же батарей. Поскольку сила, приходящаяся на элементарный заряд, пропорциональна числу одинаковых батарей и обратно пропорциональна расстоянию между пластинами, на каждый элементарный заряд теперь должна действовать в девять раз меньшая сила, т. е. 1/9*10 -14).
Если предположить, что один атом водорода несет один элементарный заряд, то каждый ион между пластинами испытывает только что выраженную силу. Двигаясь от одной пластины к другой, ион проходит путь 9,3 10 -3 м по направлению силы, так что произведенная работа по перемещению иона равна Fd = 1/9(1,4*10 -14 Н)*(9,3 10 -3 м)= 1,4 10 -17 Дж. Следовательно,
mv/2=m (1,3*10 5 м/с) 2 /2=1,4 *10 -17 Дж.
Отсюда для массы иона водорода т находим
m= 1,7 *10 -27 кг.

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.