Yüklü bir parçacığı bilinen düzgün bir elektrik alanında yolun bilinen bir parçası üzerinde hızlandırarak ve son hızını ölçerek bir elektronun veya protonun kütlesi deneysel olarak nasıl belirlenebilir? Bildiğiniz gibi, cisim d yolunu F kuvveti yönünde hareket ediyorsa, cismi hareket ettirmek için harcanan Fd işi, cismin artışına eşittir. kinetik enerji. Hareket bir dinlenme durumundan başlıyorsa, bu iş aynı zamanda cismin son kinetik enerjisine de eşittir: Fd= mv 2/2

Böylece, eğer F, d ve v biliniyorsa, m kütlesi buradan bulunabilir.

Tartışılacak deneylerde, ilgimizi çeken yüklü parçacıklar, bir üniforma ile hızlandırılır. kuvvet alanı iki yüklü metal plaka arasında. Plakalar arasındaki mesafeyi ve onları şarj eden pillerin sayısını bilerek belirleyebiliriz. elektrik kuvveti her temel yüke uygulanır. Deneyler, mikro-mikro terazide oluşan hava direncini ortadan kaldırmak için bir vakumda gerçekleştirilir. Ayrıca, protonlar ve elektronlar mikro terazilerde kullanılan plastik toplardan 10 11 kat daha hafif olduğundan, bu deneylerde elektriksel kuvvetlere kıyasla yerçekimi kuvveti ihmal edilebilir.
Belirli bir miktar hidrojen, bir çift yüklü plakanın yakınında iyonizasyona uğrar (Şek.), bundan sonra bazı iyonlar ihmal edilebilir bir hızla küçük bir delikten plakalar arasındaki boşluğa girer. İyonlar bir levhadan diğerine hareket ederken, elektrik alanı iyonları hızlandırır ve onlara sonlu bir kinetik enerji mv 2 /2 verir. Sağ plaka, bazı iyonların 0,50 m uzunluğundaki bir odaya girebileceği küçük bir deliğe sahiptir (Şek.). Bu oda iletken malzemeden yapılmıştır ve Elektrik alanı, iyonlar hızlarını değiştirmeden tüm uzunluğu boyunca geçerler. İyonun tüm bu yolu tamamlaması sadece birkaç mikrosaniye (1 μs=10 -6 s) sürer. Bu süre çok kısa olmasına rağmen yine de özel bir ölçüm cihazı kullanarak doğru bir şekilde ölçmek mümkündür. Bu, son iyon hızı v'nin doğru bir şekilde belirlenmesini mümkün kılar.
Bir iyonun uzun bir odanın bir ucundan diğer ucuna gitmesi için geçen süreyi ölçmek için, belirli bir iyonun ayrıldığı anı not etmek gerekir. verilen nokta solda ve aynı iyonun sağda uzak uca ulaştığı zaman. Belirli bir iyonun uzun bir odaya girdiği zamanı fark etmek için girişin yanına bir çift küçük saptırma plakası yerleştiririz (Şek.). Hidrojen iyon ışınının yönünü kontrol etmek için kullanılabilirler. Saptırma plakaları yüklendiğinde, hidrojen iyonlarına yanal bir elektrik kuvveti etki eder ve bu onları yörüngelerinden uzaklaştırır. Bununla birlikte, saptırma plakaları daha sonra boşaltılırsa, o zaman sadece odaya hemen veya daha sonra girmiş olan iyonlar, odanın uzunlamasına ekseni boyunca hareket edecektir; bu nedenle, uzak uçtaki delikten geçen ilk iyonlar, plakaların boşaltılmasından bu yana 0,50 m yol kat etmiş olanlar olacaktır. Bu iyonların gelişi, deliğin arkasına yerleştirilmiş bir alıcı eleman tarafından kaydedilir.
Plakaların boşaldığı andan ilk iyonların alıcı elemana ulaştığı ana kadar geçen zaman aralığını ölçmek için, odadaki saptırma plakaları osiloskopun dikey saptırma plakalarına bağlanır (Şek.). Uzun haznedeki plakaların boşalma anı, osiloskop ekranında çizilen eğri üzerinde bir tepe noktası ile işaretlenir. Uzun haznenin uzak ucundaki algılama elemanı, osiloskopun aynı dikey saptırma plakalarına bağlanmıştır (bölmenin her iki ucunun elektrik bağlantıları tamamen aynıdır). İyon ışını alıcı elemana girdiğinde, osiloskop ekranında ikinci bir tepe noktası belirir (Şek.). İki tepe noktası, ortaya çıktıkları için ekranda farklı yerlerde görünür. farklı zaman. Bu iki an arasındaki ara süre boyunca, osiloskopun süpürme devresi elektron ışınının ekran boyunca yatay olarak hareket etmesine neden olur. Bir osiloskoptaki bir elektron ışını, hidrojen iyonlarının oda içinde 0,50 m seyahat etmesiyle aynı zamanda iki tepe arasındaki mesafeyi kat eder.

Modern osiloskoplarda, süpürme devresi, elektron ışınının bir mikrosaniyenin birkaç yüzde biri içinde tüp ekranı boyunca bir uçtan diğerine yatay olarak hareket etmesine neden olabilir. İyon hızını ölçmek için, süpürme devresi, tüm eğri 5 mikrosaniyede izlenecek şekilde kurulur. Daha sonra osiloskop ekranındaki iki tepe belirgin şekilde ayrılacaktır. Pikler arasındaki mesafe ölçülerek kirişin uzun bölmeyi geçmesi için geçen süre belirlenir. Işının dümdüz ilerleme fırsatı bulduğu andan alıcı elemana çarptığı ana kadar geçen zaman aralığını 0,01 mikrosaniyelik bir doğrulukla bulun. Hidrojen iyonları ve hızlanan bir elektrik kuvveti üreten 90 voltluk bir pil durumunda, uçuş süresi 3,82 mikrosaniyedir. Buradan, uzun bir odadaki iyonların v hızı hesaplanabilir. 0,50 m / (3,82 * 10 -6 s) = = 1,31 * 10 5 m/s'ye eşittir.
Öte yandan, buradaki plakalar, Millikan deneyinin gerçekleştirildiği mikro-terazide olduğundan tam olarak üç kat daha uzaktadır; ayrıca burada aynı pillerden üç kat daha az kullanılır. Temel şarj başına kuvvet, aynı pillerin sayısıyla orantılı ve plakalar arasındaki mesafeyle ters orantılı olduğundan, şimdi her bir temel yüke dokuz kat daha az kuvvet etki etmelidir, yani 1/9 * 10 -14).
Bir hidrojen atomunun bir temel yük taşıdığını varsayarsak, plakalar arasındaki her iyon az önce ifade edilen kuvveti deneyimler. Bir plakadan diğerine hareket eden iyon, kuvvet yönünde 9.3 10 -3 m'lik bir yol kat eder, böylece iyonu hareket ettirmek için yapılan iş Fd = 1/9 (1.4 * 10 -14 N) * (9.3) olur. 10 -3 m) \u003d 1.4 10 -17 J. Bu nedenle,
mv / 2 \u003d m (1.3 * 10 5 m / s) 2 / 2 \u003d 1.4 * 10 -17 J.
Buradan hidrojen iyonunun kütlesi için m buluruz
m= 1,7 * 10 -27 kg.

Ancak bu değer bizim için iyi bilinmektedir. Ölçümlerimizin doğruluğu dahilinde, hidrojen atomunun kütlesi ile örtüşmektedir.
Şimdi özetleyebiliriz. Bir hidrojen iyonu bir kez yüklüyse, kütlesi neredeyse bir hidrojen atomunun kütlesine eşittir. Hatta bir adım daha ileri gidilebilir ve hidrojen iyonunun gerçekten de bir birim yük taşıyıcısı olduğu ve kütlesinin pratikte atomun kütlesine eşit olduğu iddia edilebilir. Bu doğru olmalıdır, çünkü iyonun daha fazla yük taşıdığı varsayımı saçma bir sonuca yol açacaktır. Örneğin, bir iyon iki temel yük taşıyorsa, mv 2/2'nin gerçek değeri, benimsediğimiz değerin iki katı olmalıdır. v'yi ölçtüğümüze göre, bu sadece iyonun kütlesinin bizim bulduğumuzdan iki kat daha fazla olduğu anlamına gelebilir. Böyle bir hidrojen iyonu, parçası olduğu atomun iki katı kütleye sahip olacaktır. Bu sonuç o kadar mantıksız ki, onu bir kenara atıyoruz.

Daha önce, elektronların tüm atomları oluşturan yapı taşları olduğuna dair göstergeler vardı. Görünüşe göre, hidrojen iyonu bir elektron kaybetmiş bir hidrojen atomudur. Ek olarak, ne bu deneyde ne de diğer deneylerde, iki pozitif temel yüke sahip pozitif yüklü bir hidrojen parçasıyla karşılaşmadık. Bu, pozitif yüklü hidrojen iyonunun nihai yapı taşı olduğuna dair birçok kanıttan biridir. Bu bir protondur. Hidrojen yüklü parçacıklara bölündüğünde, daha önce tespit edildiği gibi, atomun kütlesinin neredeyse tamamı protona aittir. Bu nedenle elektronlar çok hafif olmalıdır. Bir elektronun kütlesini ölçmek ve böylece bu sonucu doğrulamak için aynı enstrümanlar kullanılabilir.

Yani elektron, negatif yüklü temel bir parçacıktır. Elektronlar, var olan her şeyi oluşturan maddeyi oluşturur. Ayrıca elektronun, yarı tamsayı dönüşünü gösteren bir fermiyon olduğunu ve aynı zamanda ikili bir doğaya sahip olduğunu, çünkü hem maddenin bir parçacığı hem de bir dalga olabileceğini not ediyoruz. Kütle gibi bir özellik düşünülürse, ilk özü ima edilir.

Bir elektronun kütlesi, diğer herhangi bir makroskopik nesnenin kütlesi ile aynı niteliktedir, ancak maddi parçacıkların hareket hızları ışık hızına yaklaştığında her şey değişir. Bu durumda, göreli mekanik Klasik mekaniğin bir üst kümesi olan ve cisimlerin yüksek hızlardaki hareket durumlarına uzanan .

Dolayısıyla klasik mekanikte "durgun kütle" kavramı yoktur, çünkü bir cismin kütlesinin hareketi sırasında değişmediğine inanılır. Bu durum deneysel gerçeklerle de doğrulanmaktadır. Ancak bu gerçek, düşük hızlar için yalnızca bir tahmindir. Buradaki yavaş hızlar, ışık hızından çok daha küçük hızlar anlamına gelir. Bir cismin hızının ışık hızıyla karşılaştırılabilir olduğu bir durumda, herhangi bir cismin kütlesi değişir. Elektron bir istisna değildir. Ayrıca, bu düzenlilik mikropartiküller için yeterli öneme sahiptir. Bu, mikrokozmosta, kütle değişikliklerinin fark edilir hale geldiği bu kadar yüksek hızların mümkün olduğu gerçeğiyle doğrulanır. Ayrıca, mikrokozmos ölçeğinde bu etki sürekli olarak gerçekleşir.

Elektron kütlesinde artış

Böylece, parçacıklar (elektron) ile hareket ettiğinde göreceli hızlar ağırlıkları değişir. Ayrıca parçacığın hızı arttıkça kütlesi de artar. Parçacığın hızının değeri ışık hızına yaklaştıkça kütlesi de sonsuzluğa yönelir. Parçacığın hızının sıfıra eşit olduğu durumda, kütle, elektronun geri kalan kütlesi de dahil olmak üzere durgun kütle adı verilen bir sabite eşit hale gelir. Bu etkinin nedeni, parçacığın göreli özelliklerinde yatmaktadır.

Gerçek şu ki, bir parçacığın kütlesi, enerjisiyle doğru orantılıdır. Aynısı, parçacığın kinetik enerjisinin toplamı ile hareketsiz kütleyi içeren hareketsiz haldeki enerjisinin toplamı ile doğru orantılıdır. Böylece, bu toplamdaki ilk terim, (enerjideki değişimin bir sonucu olarak) hareket eden parçacığın kütlesinin artmasına neden olur.

Elektronun kalan kütlesinin sayısal değeri

Bir elektronun ve diğer temel parçacıkların geri kalan kütlesi genellikle elektron volt olarak ölçülür. bir elektron volt enerjiye eşittir harcanan temel ücret Bir voltluk potansiyel farkın üstesinden gelmek için. Bu birimlerde, bir elektronun kalan kütlesi 0,511 MeV'dir.

100 kişiden önceden bilinen en az üç temel parçacığı isimlendirmesini isterseniz, o zaman belki de herkes üçünü de adlandırmayacak, ancak hiç kimse popülerlikteki şampiyonu - elektronu - adlandırmayı unutmayacak. En küçük, en hafif yük taşımak parçacıklar, her yerde bulunur ve ..., ne yazık ki, "negatif", Dünyadaki herhangi bir maddenin bir parçasıdır ve zaten bu, kendisine karşı özel bir tutumu hak ediyor. Parçacığın adının kökeni Antik Yunan Yunanca "kehribar" kelimesinden - küçük nesneleri çekme kabiliyeti nedeniyle eskiler tarafından sevilen bir malzeme. Daha sonra, elektrik çalışmaları hız kazandıkça, "elektron" terimi, bölünemez ve dolayısıyla en küçük yük birimi anlamına geldi.

Elektronun sonsuz yaşamı, maddenin ayrılmaz bir parçası olarak, J. J. Thomson liderliğindeki bir grup fizikçi tarafından verildi. 1897'de katot ışınlarını incelerken, bir elektronun kütlesinin yüküyle nasıl ilişkili olduğunu belirlediler ve bu oranın katodun malzemesine bağlı olmadığını buldular. Elektronun doğası bilgisinde bir sonraki adım 1900 yılında Becquerel tarafından atıldı. Yaptığı deneyde, radyumun beta ışınlarının da bir elektrik alanında saptırıldığı ve aynı kütle-yüke sahip oldukları kanıtlandı. katot ışınları olarak oranı. Bu, bir elektronun herhangi bir maddenin atomunun “bağımsız bir parçası” olduğunun tartışılmaz kanıtı haline geldi. Ve sonra, 1909'da, Robert Milliken, bir elektrik alanına düşen yağ damlacıkları ile yaptığı bir deneyde, yerçekimi kuvvetini dengeleyen elektrik kuvvetini ölçebildi. Aynı zamanda, temel öğenin değeri, yani. en az şarj:

eo\u003d - 1.602176487 (49) * 10-19 C.

Bu, elektronun kütlesini hesaplamak için yeterliydi:

ben = 9.10938215(15) * 10-31kg.

Görünüşe göre şimdi her şey yolunda, her şey geride kaldı, ancak bu, elektronun doğasını anlamak için uzun bir yolculuğun sadece başlangıcıydı.

Uzun bir süre boyunca, fiziğin çıkmazı, elektronun henüz kanıtlanmamış, ancak giderek daha iddialı, iki yüzlü doğasıydı: kuantum mekanik özellikleri bir parçacığı ve paralel yarıklarda elektron ışınlarının girişimi üzerine yapılan deneylerde bir dalgayı gösterdi. doğa kendini gösterdi. Hakikat anı 1924'te geldi, Louis de Broglie ilk başta her şeye maddi ve elektronu da kendi adını taşıyan dalgalarla donattığında ve 3 yıl sonra Pauli ilk kavramların oluşumunu tamamladı. Kuantum mekaniği tarif etmek kuantum doğası parçacıklar. Ardından Dirac Alanlarının sırası geldi - birbirlerini tamamlayarak, elektron kütlesinin ve Planck'ın sabit kuantum miktarlarının dalga özellikleri - frekans ve dalga boyu aracılığıyla yansıtıldığı bir elektronun özünü tanımlamak için denklemler buldular.

Tabii ki, böyle bir ikiyüzlülük temel parçacık geniş kapsamlı sonuçları oldu. Zamanla, maddenin dışındaki serbest bir elektronun özelliklerinin (örnek olarak, katot ışınlarının) formdaki bir elektronun özellikleriyle hiç aynı olmadığı anlaşıldı. elektrik akımı bir kristal içinde. Serbest bir elektron için kütlesi "elektron durgun kütlesi" olarak bilinir. Farklı koşullar altında bir elektronun kütlelerindeki farkın fiziksel doğası, enerjisinin içinde hareket ettiği uzayın doygunluğuna bağlı olduğu gerçeğinden kaynaklanır. Daha derin "sökme", değerin manyetik alan bir iletkende hareket eden elektronlar, daha doğrusu, bir maddedeki akımın akışı, mevcut taşıyıcıların yükünün büyüklüğüne değil, kütlelerine bağlıdır. Ancak öte yandan, manyetik alanın özgül enerjisi, hareketli yüklerin kinetik enerjisinin yoğunluğuna eşittir ve bu enerjinin büyümesi, aslında "etkin" olarak adlandırılan yük taşıyıcılarının artan kütlesine eşdeğerdir. elektronun kütlesi." Analitik olarak, serbest bir elektronun kütlesinden a/2λ kat daha büyük olduğu belirlendi, burada a, iletkeni sınırlayan düzlemler arasındaki mesafe, λ, manyetik alanın deri tabakasının derinliğidir.

Fizikte elektron kütlesi referans sabitlerden biridir. Elektronun biyografisi sona ermedi - çalışmalar her zaman ilgili ve vazgeçilmez bir katılımcı olduğu yerde talep görüyor. Küçük, temel olmasına rağmen, Evrenin onsuz bir adım atamayacağı uzun zamandır açıktı.