Электрон это в физике

Электроны, крохотные объекты, населяющие задворки атомов, играют ведущую роль в химии, переносят электрический ток по нашим электрическим сетям и внутри ударов молний, и составляют «катодные лучи», использовавшиеся для создания изображений в телевидении XX века и на экранах компьютеров. Это наиболее типичный пример (вроде бы) элементарных частиц.

Под «элементарными» я подразумеваю, что электроны неделимы и не состоят из частиц меньшего размера. При помощи «вроде бы» я напоминаю, что они элементарны, насколько нам позволяют судить об этом современные знания – то, что мы знаем об электронах, получено в экспериментах, а наши эксперименты не обладают бесконечной властью. Если электроны не элементарны, но настолько малы, что наши текущие эксперименты не могут их разломать – они будут выглядеть элементарными во всех экспериментах, проведённых нами в прошлом и настоящем, но не во всех будущих экспериментах. Так что, когда-нибудь – ведь 80 лет назад люди считали, что протоны могут быть элементарными, но им не хватало знаний, а 150 лет назад люди считали, что атомы могут быть элементарными, но им не хватало знаний – мы можем обнаружить, что электроны не элементарны. Но пока, поскольку все доступные нам эксперименты демонстрируют, что они элементарны, мы будем условно предполагать, что так и есть – помня, что это частично экспериментальный факт, и частично – предположение!

Электрон стал первой из обнаруженных субатомных частиц (первым найденным объектом, чей размер был меньше атома). Во времена его открытия, в 1890-х (обычно пишут 1897 год, но это открытие было в некотором роде постепенным), научные дебаты по поводу того, состоит ли материя из атомов, или же атомы были просто выдумкой, удобной для описания поведения материи, подходили к концу. Но даже те, кто верил в существование атомов, не обязательно считали, что атомы были неделимы (как предполагало их имя, произошедшее от греческого «неразрезаемый»). Поколение спустя, к середине 1930-х, физики подтвердили существование атомов, поняли их базовую структуру и узнали, как подсчитывать их свойства с высокой точностью. Эти подсчёты они провели с помощью уравнений из теории поведения материи 1920-х годов, называемой «квантовая механика», ставшей необходимой потому, что знаменитые уравнения Ньютона не справлялись с описанием работы атомов. Многие ключевые проверки точности квантовой механики были связаны с точными измерениями поведения электронов внутри и снаружи атомов.

Все электроны идентичны и неразличимы; если я поменяю два из них местами, вы не сможете этого обнаружить. Так что я могу писать о «свойстве электрона», а вы можете быть уверены в том, что эти свойства таковы для всех электронов. Какие же свойства присущи им?

Масса!

У электрона есть масса – она мала по сравнению с массой любого атома, поэтому про неё обычно можно забыть в начальных классах химии, но она не настолько мала, чтобы забыть о ней в физике частиц и даже в понимании структуры атомов. Хотя электроны не вносят значительного вклада в массу атома, масса электрона необходима для определения размера атома. В этом, в частности, заключается важность поля и частицы Хиггса. Эту массу можно записать по-разному, и каждый из способов даёт вам свою перспективу:

КВАНТОВЫЙ МИР: ЭЛЕКТРОН и его СУПЕРСИЛЫ

  • Она равна примерно 9 × 10 -31 кг = 0.000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 9 кг.
  • Она равна примерно 0,05% (точнее, 1/1838) массы атома водорода – легчайшего атома в природе. Большая часть его массы содержится в его ядре.
  • Энергия, хранящаяся в массе электрона, E = mc 2 , равна 0,000 511 ГэВ. Это в 200 000 раз больше энергии, переносимой одним фотоном зелёного цвета. В физике частиц масса частицы часто записывается через обратное взаимоотношение энергии и массы: для стационарной частицы m = E / c 2 . В этих терминах масса электрона равна 0,000511 ГэВ / c 2 .

Делимость электрического заряда

Хорошо известно, что молекулы и атомы в их нормальном состоянии не имеют электрического заряда. Поэтому мы не можем объяснить электризацию их движением. Однако если мы предположим, что частицы с электрическим зарядом существуют в природе, то мы должны обнаружить, что существует предел деления электрического заряда.

Согласно различным экспериментам, проведенным советским ученым Абрамом Федоровичем Иоффе и американским ученым Робертом Милликеном, было обнаружено, что существует заряженная частица с минимальным зарядом, который невозможно разделить.

В своих экспериментах они электризовали маленькие частицы цинковой пыли. Заряд пылинок меняли и вычисляли. Это было проделано несколько раз. При этом заряд оказывался каждый раз другим. Однако все изменения были кратны целому числу, большему, чем некоторый минимальный заряд (т.е. 2, 3, 4 и т.д.). Этот результат можно интерпретировать только следующим образом. Только наименьший заряд (или целое число таких зарядов) присоединяется к пылинке цинка или отсоединяется от нее. Этот заряд дальше уже не делится. Частица с наименьшим зарядом называется электроном.

Также в ходе опытов было установлено, что любая частица вещества либо электрически нейтральна, либо имеет заряд, кратный по модулю заряду электрона.

Свойства электрона

Электрон характеризуется и другими важными свойствами, помимо спина и магнитного момента. Рассмотрим их.

Масса электрона

Электроны очень малы. Масса электрона составляет me = 9,109 • 10 -31 кг или 5, 489 • 10 -4 атомных единиц массы (а. е. м). Эта масса примерно в 3700 раз меньше массы молекулы водорода, которая является самой маленькой из всех молекул. Из-за эквивалентности массы и энергии в соответствии с принципом относительности это приводит к энергии покоя 0,511 МэВ (мегаэлектронвольт).

Отношение массы протона к массе электрона равно 1836, то есть протон в 1836 раз «тяжелее» электрона.

Заряд электрона

Электрический заряд — одно из основных свойств электрона. Невозможно представить, что с электронов можно снять заряд. Они неотделимы друг от друга.

Электрический заряд — это физическая величина. Она обозначается буквой q. Единицей электрического заряда является кулон (Кл). Эта единица названа в честь французского физика Шарля Кулона. Электрон — это частица с наименьшим отрицательным зарядом. Его заряд равен e0 = — 1,6 • 10 -19 Кл.

Модуль заряда электрона назвали элементарным электрическим зарядом. Его обозначают е. Измерения показали, что e = 1,6 • 10 19 Кл.

Обратите внимание, что любой, даже самый малый, заряд тела содержит целое число элементарных зарядов. Так как заряд тела обозначается буквой q, то получаем: q = eN, где N — целое число (N = 1, 2, 3, … ).

Элементарный заряд может показаться очень малым, однако вспомним: в любом теле, видимом невооружённым глазом, содержится невообразимо большое число заряженных частиц. Так, суммарный заряд электронов в одной столовой ложке воды равен по модулю примерно миллиону кулонов (а вы уже знаете, как велик заряд всего в 1 Кл).

Важно! Термин элементарный заряд был придуман, когда предположили, что этот заряд является наименьшим электрическим зарядом в природе. Сегодня мы знаем, что 1/3 элементарного заряда также приходится на кварки.

Энергия покоя электрона

Энергия электрона рассчитывается из эквивалентности массы и энергии. Вы знаете это как формулу из теории относительности E=mc 2 . E означает энергию, m — массу, а c — скорость света. Как было уже сказано выше в этой статье: «из-за эквивалентности массы и энергии в соответствии с принципом относительности это приводит к энергии покоя 0,511 МэВ (мегаэлектронвольт)».

В формуле это можно рассчитать следующим образом: E = mec 2 = 9,109 • 10 -31 • (3 • 10 8 ) 2 = 8,2 • 10 -14 Дж = 0,511 • 10 6 эВ ≈ 0,511 МэВ

Электрон

Природные объекты, эпохи, процессы, события

Электро́н ( е – е^– е – ), элементарная частица , носитель отрицательного элементарного электрического заряда е ≈ 1 , 6 ⋅ 1 0 – 19 е≈1,6·10^ е ≈ 1 , 6 ⋅ 1 0 –19 Кл. Электрон – самая лёгкая из всех заряженных элементарных частиц, его масса m e = 9 , 1 ⋅ 1 0 – 28 m_e = 9,1·10^ m e ​ = 9 , 1 ⋅ 1 0 –28 г, что в 1836 раз меньше массы протона . Спин электрона равен 1 /2 (в единицах постоянной Планка h h h ), следовательно, он подчиняется статистике Ферми – Дирака ; магнитный момент электрона μ е ≈ e h / ( 2 m e c ) = μ Б μ_е≈eh/(2m_ec)=μ_Б μ е ​ ≈ e h / ( 2 m e ​ c ) = μ Б ​ (μБ – магнетон Бора , c c c – скорость света ). В пределах точности электрон – стабильная частица, его время жизни τ > 2 ⋅ 1 0 22 τ>2·10^ τ > 2 ⋅ 1 0 22 лет. Размеры электрона меньше 10 –18 м.

Электрон был открыт Дж. Дж. Томсоном в 1897 г., который показал, что т. н. катодные лучи, возникающие при электрическом разряде в газе , представляют собой поток отрицательно заряженных частиц. Опыты по отклонению этих частиц в электрическом и магнитном полях показали, что удельный заряд е / m е/m е / m примерно в 1837 раз больше, чем для иона водорода (протона). За открытыми частицами закрепили название «электроны», предложенное в 1891 г. Дж. Стони для обозначения элементарного электрического заряда.

Электроны играют важнейшую роль в строении вещества, образуя электронные оболочки атомов всех химических элементов . Размеры этих оболочек определяются в основном квантовой спецификой поведения электронов в поле ядра, задаются значениями массы и заряда электрона и по порядку величины близки к радиусу Бора ( ≈ 5 ⋅ 1 0 – 11 ≈5·10^ ≈ 5 ⋅ 1 0 –11 м).

Как элементарная частица электрон относится к лептонам , т. е. обладает способностью участвовать в электромагнитном и слабом взаимодействиях (и, кроме того, в гравитационном ).

Редакция физических наук

Опубликовано 22 июня 2022 г. в 11:49 (GMT+3). Последнее обновление 22 июня 2022 г. в 11:49 (GMT+3). Связаться с редакцией

Проводящий материал

Все формы материи содержат электроны, однако эти элементарные частицы в некоторых материалах более свободно связаны с их ядрами.

Эти материалы (известные как проводники или металлы) требуют очень мало энергии для создания электрического тока. В них слабо связанные частицы требуют гораздо меньше энергии для преодоления электромагнитной силы, удерживающей их на месте.

Что генерирует поток?

Электрические генераторы — это устройства, использующие принцип электромагнитной индукции.

Принцип электромагнитной индукции — процесс перемещения проводника через магнитное поле с целью создания электронного потока.

Примечание: необходимо только относительное движение проводника и магнитного поля, что означает, что магнитное поле может двигаться, пока проводник неподвижен. Когда электроны в проводнике проходят через магнитное поле (если поле достаточно сильное, а относительная скорость проводников через поле достаточно быстрая), то связи с их ядрами будут разорваны и будет индуцирован поток. Чтобы индуцировать высокий уровень электронного потока, требуется много энергии для создания относительной скорости между проводником и магнитами.

Химические реакции внутри батарей также создают электродвижущую силу, заставляющую элементарные частицы течь по цепи.

Фотоны (энергия света) также могут вызывать поток электронов, когда они сталкиваются с фотоэлектрической ячейкой. Это один из способов получения электроэнергии.

Электроны играют основополагающее действие на то или иное качество и свойство веществ.

Когда был открыт электрон? Томсон

Эта отрицательно заряженная частица была открыта 30 апреля 1897 года английским физиком Джозеф Джон Томсоном. Он исследовал прохождение электричества через газы, и обнаружил что лучи отклонялись в магнитном поле в поперечном их движению направлении. Томсон разработал метод определения отношения массы к заряду. Цель его опытов было определение массы частиц. Он определил что эти частицы имеют массу порядка одной тысячной от массы водорода, и заряд, равный заряду атома водорода в электролизе.

Впоследствии ученый развил концепцию электронов как частиц.

Оцените статью
TutShema
Добавить комментарий