Zaryadlangan zarrachani ma'lum bir tekis elektr maydonida yo'lning ma'lum bo'lagi bo'ylab tezlashtirish va uning yakuniy tezligini o'lchash orqali elektron yoki protonning massasini tajriba yo'li bilan qanday aniqlash mumkin? Ma'lumki, agar jism F kuch yo'nalishi bo'yicha d yo'lni bosib o'tsa, u holda jismni harakatlantirish uchun sarflangan Fd ish uning o'sishiga teng bo'ladi. kinetik energiya. Agar harakat dam olish holatidan boshlansa, bu ish ham tananing oxirgi kinetik energiyasiga teng bo'ladi: Fd= mv 2/2

Shunday qilib, agar F, d va v ma'lum bo'lsa, u holda m massasini shu erdan topish mumkin.

Ko'rib chiqiladigan tajribalarda bizni qiziqtirgan zaryadlangan zarralar bir xil tezlikda tezlashadi. kuch maydoni ikkita zaryadlangan metall plitalar o'rtasida. Plitalar orasidagi masofani va ularni zaryadlovchi batareyalar sonini bilib, biz aniqlashimiz mumkin elektr quvvati har bir elementar zaryadga qo'llaniladi. Tajribalar mikro-mikrobalansda yuzaga kelgan havo qarshiligini bartaraf etish uchun vakuumda o'tkaziladi. Bundan tashqari, protonlar va elektronlar mikro-mikrobalanslarda ishlatiladigan plastik sharlardan 10 11 marta engilroq bo'lganligi sababli, bu tajribalarda tortishish kuchini elektr kuchlari bilan solishtirganda e'tiborsiz qoldirish mumkin.
Vodorodning ma'lum miqdori bir juft zaryadlangan plastinka yaqinida ionlanishdan o'tadi (rasm), shundan so'ng ionlarning bir qismi kichik bir teshik orqali plitalar orasidagi bo'shliqqa ahamiyatsiz tezlikda kiradi. Ionlar bir plastinkadan ikkinchi plastinkaga o'tganda, elektr maydoni ionlarni tezlashtiradi va ularga chekli kinetik energiya mv 2 / 2 beradi. O'ng plastinka kichik teshikka ega bo'lib, u orqali ionlarning bir qismi 0,50 m uzunlikdagi kameraga kirishi mumkin (rasm). Bu kamera Supero'tkazuvchilar materialdan qilingan, chunki u emas elektr maydoni, ionlar tezligini o'zgartirmasdan butun uzunligi bo'ylab o'tadi. Ion bu yo‘lni to‘liq bosib o‘tishi uchun bir necha mikrosekund (1 ms=10 -6 s) kerak bo‘ladi. Bu vaqt davri juda kichik bo'lsa-da, uni maxsus o'lchash moslamasi yordamida aniq o'lchash mumkin. Bu yakuniy ion tezligini aniq aniqlash imkonini beradi v.
Ionning uzun kameraning bir chetidan ikkinchi chetiga o'tishi uchun zarur bo'lgan vaqtni o'lchash uchun ma'lum ion chiqib ketish momentini qayd etish kerak. berilgan nuqta chap tomonda, o'ng tomonda esa bir xil ionning eng chekkasiga yetib borish vaqti. Berilgan ion uzun kameraga kirgan vaqtni payqash uchun kirish joyi yaqiniga bir juft kichik deflektiv plastinalarni joylashtiramiz (rasm). Ular vodorod ionlari nurlarining yo'nalishini boshqarish uchun ishlatilishi mumkin. Burilish plitalari zaryadlanganda, vodorod ionlariga lateral elektr kuchi ta'sir qiladi, bu esa ularni traektoriyadan chetga surib qo'yadi. Biroq, agar deflektor plitalari keyin zaryadsizlansa, u holda kameraga faqat yoki keyinroq kirgan ionlar kameraning bo'ylama o'qi bo'ylab harakatlanadi; shuning uchun eng chetidagi teshikdan birinchi bo'lib o'tadigan ionlar plastinkalar zaryadsizlangandan keyin butun yo'lni 0,50 m bosib o'tgan ionlar bo'ladi. Ushbu ionlarning kelishi teshik orqasida joylashgan qabul qiluvchi element tomonidan qayd etiladi.
Plitalar zaryadsizlangan paytdan boshlab qabul qiluvchi elementga birinchi ionlar kelgan paytgacha bo'lgan vaqt oralig'ini o'lchash uchun kameradagi burilish plitalari osiloskopning vertikal burilish plitalariga ulanadi (rasm). Uzoq kameradagi plitalarning tushirish momenti osiloskopning ekranida chizilgan egri chiziqdagi tepalik bilan belgilanadi. Uzoq kameraning eng chekkasidagi sezgir element osiloskopning bir xil vertikal burilish plitalari bilan bog'langan (kameraning ikkala uchining elektr aloqalari aynan bir xil). Ion nuri qabul qiluvchi elementga kirganda, osiloskop ekranida ikkinchi tepalik paydo bo'ladi (rasm). Ikki tepalik ekranning turli joylarida paydo bo'ladi, chunki ular paydo bo'lgan boshqa vaqt. Ushbu ikki moment orasidagi oraliq vaqt ichida osiloskopning supurish davri elektron nurning ekran bo'ylab gorizontal harakatlanishiga olib keladi. Osiloskopdagi elektron nur vodorod ionlari kamerada 0,50 m masofani bosib o'tgani bilan bir vaqtda ikkita cho'qqi orasidagi masofani bosib o'tadi.

Zamonaviy osiloskoplarda supurish sxemasi elektron nurning gorizontal ravishda quvur ekrani bo'ylab bir uchidan ikkinchisiga mikrosekundning bir necha yuzdan bir qismida harakatlanishiga olib kelishi mumkin. Ion tezligini o'lchash uchun tozalash sxemasi butun egri chiziq 5 mikrosekundda kuzatilishi uchun o'rnatiladi. Keyin osiloskop ekranidagi ikkita tepalik sezilarli darajada ajralib turadi. Cho'qqilar orasidagi masofani o'lchash orqali nurning uzun kamerani kesib o'tish vaqti aniqlanadi. Nur to'g'ri oldinga siljish imkoniyatiga ega bo'lgan paytdan boshlab qabul qiluvchi elementga tegishigacha bo'lgan vaqt oralig'ini 0,01 mikrosekundlik aniqlik bilan toping. Vodorod ionlari va tezlashtiruvchi elektr quvvatini ishlab chiqaradigan 90 voltli akkumulyator bo'lsa, parvoz vaqti 3,82 mikrosekundni tashkil qiladi. Bu yerdan uzun kameradagi ionlarning v tezligini hisoblash mumkin. U 0,50 m / (3,82 * 10 -6 s) = = 1,31 * 10 5 m / s ga teng.
Boshqa tomondan, bu erdagi plitalar Millikan tajribasi o'tkazilgan mikro-mikrobalansga qaraganda roppa-rosa uch barobar uzoqroqda joylashgan; bundan tashqari, bu erda bir xil batareyalardan uch barobar kamroq foydalaniladi. Elementar zaryadga to'g'ri keladigan kuch bir xil batareyalar soniga mutanosib va ​​plitalar orasidagi masofaga teskari proportsional bo'lgani uchun, endi har bir elementar zaryadga to'qqiz baravar kam kuch ta'sir qilishi kerak, ya'ni 1/9 * 10 -14).
Agar bitta vodorod atomi bitta elementar zaryadga ega deb faraz qilsak, plitalar orasidagi har bir ion hozirgina ifodalangan kuchni boshdan kechiradi. Bir plastinkadan ikkinchi plastinkaga o'tayotganda ion kuch yo'nalishi bo'yicha 9,3 10 -3 m yo'lni bosib o'tadi, shuning uchun ionni siljitish uchun bajarilgan ish Fd = 1/9 (1,4 * 10 -14 N) * (9,3) ga teng. 10 -3 m) \u003d 1,4 10 -17 J. Shuning uchun,
mv / 2 \u003d m (1,3 * 10 5 m / s) 2/2 \u003d 1,4 * 10 -17 J.
Bu yerdan vodorod ionining massasi uchun m ni topamiz
m= 1,7 * 10 -27 kg.

Ammo bu qiymat bizga yaxshi ma'lum. Bizning o'lchovlarimizning aniqligi doirasida u vodorod atomining massasiga to'g'ri keladi.
Endi biz xulosa qilishimiz mumkin. Agar vodorod ioni bir marta zaryadlangan bo'lsa, uning massasi deyarli vodorod atomining massasiga teng bo'ladi. Hatto bir qadam oldinga borish va vodorod ioni haqiqatan ham birlik zaryad tashuvchisi ekanligini va uning massasi deyarli atomnikiga teng ekanligini ta'kidlash mumkin. Bu to'g'ri bo'lishi kerak, chunki ion ko'proq zaryadga ega degan taxmin absurd natijaga olib keladi. Misol uchun, agar ion ikkita elementar zaryadga ega bo'lsa, u holda mv 2 / 2 ning haqiqiy qiymati biz qabul qilgan qiymatdan ikki baravar ko'p bo'lishi kerak. Biz v ni o'lchaganimiz sababli, bu faqat ionning massasi biz topganidan ikki baravar ko'p ekanligini anglatishi mumkin. Bunday vodorod ioni bo'lak bo'lgan atomidan ikki baravar ko'p massaga ega bo'ladi. Bu xulosa shu qadar aql bovar qilmaydiki, biz uni rad etamiz.

Ilgari elektronlar barcha atomlarni tashkil etuvchi qurilish bloklari ekanligi haqida ko'rsatmalar mavjud edi. Ko'rinishidan, vodorod ioni bitta elektronni yo'qotgan vodorod atomidir. Bundan tashqari, na bu, na boshqa tajribalarda biz ikkita musbat elementar zaryadga ega bo'lgan musbat zaryadlangan vodorod bo'lagini uchratmadik. Bu musbat zaryadlangan vodorod ionining yakuniy qurilish bloki ekanligining ko'plab dalillaridan biridir. Bu proton. Vodorod zaryadlangan zarrachalarga bo'linganda, endigina aniqlanganidek, atomning deyarli butun massasi protonga tegishli. Shuning uchun elektronlar juda engil bo'lishi kerak. Xuddi shu asboblardan elektronning massasini o'lchash va shu bilan bu xulosani tekshirish mumkin.

Demak, elektron manfiy zaryadlangan elementar zarradir. Elektronlar mavjud bo'lgan hamma narsani tashkil etuvchi materiyani tashkil qiladi. Shuni ham ta'kidlaymizki, elektron fermion bo'lib, uning yarim butun spinini ko'rsatadi, shuningdek, ikki tomonlama tabiatga ega, chunki u ham materiya zarrasi, ham to'lqin bo'lishi mumkin. Agar massa kabi xususiyat hisobga olinsa, unda uning birinchi mohiyati nazarda tutiladi.

Elektronning massasi boshqa har qanday makroskopik ob'ektning massasi bilan bir xil xususiyatga ega, ammo moddiy zarrachalarning harakat tezligi yorug'lik tezligiga yaqinlashganda hamma narsa o'zgaradi. Bunday holda, relativistik mexanika, bu klassik mexanikaning yuqori to'plami bo'lib, jismlarning yuqori tezlikda harakatlanishi holatlariga taalluqlidir.

Demak, klassik mexanikada “dam olish massasi” tushunchasi mavjud emas, chunki jismning harakati davomida uning massasi o‘zgarmaydi, deb ishoniladi. Bu holat eksperimental faktlar bilan ham tasdiqlanadi. Biroq, bu fakt past tezliklar holati uchun faqat taxminiydir. Bu erda sekin tezlik yorug'lik tezligidan ancha kichik tezlikni anglatadi. Jismning tezligi yorug'lik tezligi bilan taqqoslanadigan vaziyatda har qanday jismning massasi o'zgaradi. Elektron ham bundan mustasno emas. Bundan tashqari, bu muntazamlik mikropartikullar uchun etarli ahamiyatga ega. Bu mikrokosmosda ommaviy o'zgarishlar sezilarli bo'ladigan bunday yuqori tezliklar mumkinligi bilan oqlanadi. Bundan tashqari, mikrokosmos miqyosida bu ta'sir doimiy ravishda sodir bo'ladi.

Elektron massasining ortishi

Shunday qilib, zarralar (elektron) bilan harakat qilganda relativistik tezliklar ularning vazni o'zgaradi. Bundan tashqari, zarrachaning tezligi qanchalik katta bo'lsa, uning massasi shunchalik katta bo'ladi. Zarracha tezligining qiymati yorug'lik tezligiga moyil bo'lganidek, uning massasi cheksizlikka intiladi. Agar zarrachaning tezligi nolga teng bo'lsa, massa doimiy massaga teng bo'ladi, bu elektronning qolgan massasini o'z ichiga olgan holda dam massasi deb ataladi. Bu ta'sirning sababi zarrachaning relativistik xususiyatlarida yotadi.

Gap shundaki, zarrachaning massasi uning energiyasiga to'g'ridan-to'g'ri proportsionaldir. Xuddi shu narsa, o'z navbatida, zarrachaning kinetik energiyasi va uning dam olish massasini o'z ichiga olgan tinch holatidagi energiyasi yig'indisiga to'g'ridan-to'g'ri proportsionaldir. Shunday qilib, bu yig'indining birinchi a'zosi harakatlanuvchi zarracha massasining oshishiga olib keladi (energiya o'zgarishi natijasida).

Elektronning qolgan massasining son qiymati

Elektron va boshqa elementar zarralarning qolgan massasi odatda elektron voltlarda o'lchanadi. Bir elektron volt energiyaga teng sarflangan elementar zaryad bir voltlik potentsial farqni engish uchun. Bu birliklarda elektronning qolgan massasi 0,511 MeV ga teng.

Agar siz 100 kishidan kamida uchta ma'lum elementar zarrachalarni nomlashni so'rasangiz, unda, ehtimol, hamma ham uchtasini nomlamaydi, lekin mashhurlik bo'yicha chempion - elektronni nomlashni hech kim unutmaydi. Eng kichik, eng engil zaryad olib borish zarralar, hamma joyda va ..., afsuski, "salbiy", u Yerdagi har qanday moddaning bir qismidir va allaqachon bu o'ziga nisbatan alohida munosabatga loyiqdir. Zarracha nomi kelib chiqqan qadimgi Gretsiya yunoncha "amber" so'zidan - kichik narsalarni jalb qilish qobiliyati uchun qadimgi odamlar tomonidan yaxshi ko'rilgan material. Keyinchalik, elektrni o'rganish jadallashgani sayin, "elektron" atamasi bo'linmas va shuning uchun eng kichik zaryad birligini anglatadi.

Moddaning ajralmas qismi sifatida elektronning abadiy hayoti J. J. Tomson boshchiligidagi fiziklar guruhi tomonidan berilgan. 1897-yilda katod nurlarini o‘rganar ekanlar, ular elektronning massasi uning zaryadiga qanday bog‘liqligini aniqladilar va bu nisbat katod materialiga bog‘liq emasligini aniqladilar. Elektron tabiatini bilishning navbatdagi bosqichini 1900-yilda Bekkerel qo'ydi.O'z tajribasida radiyning beta-nurlari ham elektr maydonida og'ishini va ularning zaryadlash massasi bir xil ekanligi isbotlangan. katod nurlari sifatida nisbati. Bu elektron har qanday moddaning atomining "mustaqil bo'lagi" ekanligining shubhasiz isboti bo'ldi. Va keyin, 1909 yilda Robert Milliken elektr maydoniga tushgan neft tomchilari bilan tajriba o'tkazdi, tortishish kuchini muvozanatlashtiradigan elektr kuchini o'lchashga muvaffaq bo'ldi. Shu bilan birga, elementarning qiymati, ya'ni. eng kam to'lov:

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

Bu elektronning massasini hisoblash uchun etarli edi:

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

Endi hamma narsa joyida, hamma narsa ortda qolganga o'xshaydi, ammo bu elektronning tabiatini tushunish uchun uzoq sayohatning boshlanishi edi.

Uzoq vaqt davomida fizikaning o'lik nuqtasi elektronning hali ham isbotlanmagan, ammo tobora ko'proq ishonchli ikki yuzli tabiati edi: uning kvant mexanik xususiyatlari zarrachani ko'rsatdi va elektron nurlarning parallel tirqishlarda interferentsiyasi bo'yicha tajribalarda. to'lqinli tabiat namoyon bo'ldi. Haqiqat lahzasi 1924 yilda keldi, o'sha paytda Lui de Broyl dastlab hamma narsani, shuningdek elektronni uning nomi bilan atalgan to'lqinlar bilan ta'minladi va 3 yildan so'ng Pauli dastlabki tushunchalarni shakllantirishni yakunladi. kvant mexanikasi tasvirlab berish kvant tabiati zarralar. Keyin Dirak maydonlarining navbati keldi - bir-birini to'ldirib, ular elektronning mohiyatini tavsiflash uchun tenglamalarni topdilar, ularda elektron massasi va Plankning doimiy, kvant miqdorlari to'lqin xususiyatlari - chastota va to'lqin uzunligi orqali aks etadi.

Albatta, bunday ikkiyuzlamachilik elementar zarracha keng qamrovli oqibatlarga olib keldi. Vaqt o'tishi bilan ma'lum bo'ldiki, materiyadan tashqaridagi erkin elektronning xususiyatlari (masalan, katod nurlari) shakldagi elektronniki bilan umuman bir xil emas. elektr toki kristallda. Erkin elektron uchun uning massasi "elektronning dam olish massasi" deb nomlanadi. Turli sharoitlarda elektronning massalari farqining fizik tabiati uning energiyasi uning harakatlanadigan fazoning to'yinganligiga bog'liqligidan kelib chiqadi. Chuqurroq "demontaj" qiymatini ko'rsatadi magnit maydon o'tkazgichda harakatlanadigan elektronlar, aniqrog'i, moddadagi oqim oqimi, oqim tashuvchilarning zaryadining kattaligiga emas, balki ularning massasiga bog'liq. Ammo, boshqa tomondan, magnit maydonning o'ziga xos energiyasi harakatlanuvchi zaryadlarning kinetik energiyasining zichligiga tengdir va bu energiyaning o'sishi aslida "samarali" deb nomlangan zaryad tashuvchilarning ortib borayotgan massasiga tengdir. elektronning massasi." Analitik tarzda aniqlandiki, u erkin elektronning massasidan a/2l marta katta, bu erda a - o'tkazgichni chegaralovchi tekisliklar orasidagi masofa, l - magnit maydon teri qatlamining chuqurligi.

Fizikada elektronning massasi mos yozuvlar konstantalaridan biridir. Elektronning tarjimai holi tugamadi - u ajralmas ishtirokchi bo'lgan tadqiqotlar doimo dolzarb va talabga ega. Koinot kichik bo'lsa-da, elementar bo'lsa ham, usiz qadam tashlay olmasligi uzoq vaqtdan beri ma'lum bo'ldi.