Удельный заряд электрона (т. е. отношение ) был впервые измерен Томсоном в 1897 г. с помощью разрядной трубки, изображенной на рис. 74.1. Выходящий из отверстия в аноде А электронный пучок (катодные лучи; см. § 85) проходил между пластинами плоского конденсатора и попадал на флуоресцирующий экран, создавая на нем светящееся пятно.

Подавая напряжение на пластины конденсатора, можно было воздействовать на пучок практически однородным электрическим полем. Трубка помещалась между полюсами электромагнита, с помощью которого можно было создавать на том же участке пути электронов перпендикулярное к электрическому однородное магнитное поле (область этого поля обведена на рис. 74.1 пунктирной окружностью). При выключенных полях пучок попадал на экран в точке О. Каждое из полей в отдельности вызывало смещение пучка в вертикальном направлении. Величины смещений определяются полученными в предыдущем параграфе формулами (73.3) и (73.4).

Включив магнитное поле и измерив вызванное им смещение следа пучка

Томсон включал также электрическое поле и подбирал его значение так, чтобы пучок снова попадал в точку О. В этом случае электрическое и магнитное поля действовали на электроны пучка одновременно с одинаковыми по величине, но противоположно направленными силами. При этом выполнялось условие

Решая совместно уравнения (74.1) и (74.2), Томсон вычислял .

Буш применил для определения удельного заряда электронов метод магнитной фокусировки. Суть этого метода заключается в следующем. Допустим, что в однородном магнитном поле вылетает из некоторой точки слегка расходящийся симметричный относительно направления поля пучок электронов, имеющих одинаковую по величине скорость v. Направления, по которым вылетают электроны, образуют с направлением В небольшие углы а. В § 72 было выяснено, что электроны движутся в этом случае по спиральным траекториям, совершая за одинаковое время

полный оборот и смещаясь вдоль направления поля на расстояние , равное

Вследствие малости угла а расстояния (74.3) для разных электронов оказываются практически одинаковыми и равными (для малых углов ). Следовательно, слегка расходящийся пучок сфокусируется в точке, отстоящей от точки вылета электронов на расстояние

В опыте Буша электроны, испущенные раскаленным катодом К (рис. 74.2), ускоряются, проходя разность потенциалов U, приложенную между катодом К и анодом А. В результате они приобретают скорость и, значение которой может быть найдено из соотношения

Вылетев затем из отверстия в аноде, электроны образуют узкий пучок, направленный вдоль оси эвакуированной трубки, вставленной внутрь соленоида. На входе в соленоид помещается конденсатор, на который подается переменное напряжение. Поле, создаваемое конденсатором, отклоняет электроны пучка от оси прибора на небольшие изменяющиеся со временем углы а. Это приводит к «завихрению» пучка - электроны начинают двигаться по различным спиральным траекториям. На выходе из соленоида ставится флуоресцирующий экран. Если подобрать магнитную индукцию В так, чтобы расстояние Г от конденсатора до экрана удовлетворяло условию

(l - шаг спирали, - целое число), то точка пересечения траекторий электронов попадет на экран - электронный пучок окажется сфокусированным в этой точке и возбудит на экране резкое светящееся пятно. Если условие (74.6) не соблюдается, светящееся пятно на экране будет размытым. Решив совместно уравнения (74.4), (74.5) и (74.6), можно найти

Наиболее точное значение удельного заряда электрона, установленное с учетом результатов, полученных разными методами, равно

Величина (74.7) дает отношение заряда электрона к его массе покоя . В опытах Томсона, Буша и других аналогичных опытах определялось отношение заряда к релятивистской массе, равной

В опытах Томсона скорость электронов составляла примерно 0,1 с. При такой скорости релятивистская масса превышает массу покоя на 0,5%. В последующих опытах скорость электронов достигала очень больших значений. Во всех случаях было обнаружено уменьшение измеряемых значений с ростом v, происходившее в точном соответствии с формулой (74.8).

Заряд электрона был определен с большой точностью Милликеном в 1909 г. В закрытое пространство между горизонтально расположенными пластинами конденсатора (рис. 74.3) Милликен вводил мельчайшие капельки масла. При разбрызгивании капельки электризовались, и их можно было устанавливать неподвижно, подбирая величину и знак напряжения на конденсаторе.

Равновесие наступало при условии

здесь - заряд капельки, Р - результирующая силы тяжести и архимедовой силы, равная

(74.10)

( - плотность капельки, - ее радиус, - плотность воздуха).

Из формул (74.9) и (74.10), зная , можно было найти . Для определения радиуса измерялась скорость равномерного падения капельки в отсутствие поля. Равномерное движение капельки устанавливается при условии, что сила Р уравновешивается силой сопротивления (см. формулу (78.1) 1-го тома; - вязкость воздуха):

(74.11)

Движение капельки наблюдалось с помощью микроскопа. Для измерения определялось время, за которое капелька проходила расстояние между двумя нитями, видимыми в поле зрения микроскопа.

Точно зафиксировать равновесие капельки очень трудно. Поэтому вместо поля, отвечающего условию (74.9), включалось такое поле, под действием которого капелька начинала двигаться с небольшой скоростью вверх. Установившаяся скорость подъема определяется из условия, что сила Р и сила в сумме уравновешивают силу

Исключив из уравнения (74.10), (74.11) и (74.12) Р и , получим выражение для

(в эту формулу Милликен вносил поправку, учитывающую, что размеры капелек были сравнимы с длиной свободного пробега молекул воздуха).

Итак, измерив скорость свободного падения капельки и скорость ее подъема известном электрическом поле , можно было найти заряд капельки е. Произведя измерение скорости при некотором значении заряда , Милликен вызывал ионизацию воздуха облучая пространство между пластинами рентгеновскими лучами. Отдельные ионы, прилипая к капельке, изменяли ее заряд, в результате чего скорость также менялась. После измерения нового значения скорости снова облучалось пространство между пластинами и т. д.

Измеренные Милликеном изменения заряда капельки и сам заряд каждый раз получались целыми кратными одной и той же величины . Тем самым была экспериментально доказана дискретность электрического заряда, т. е. тот факт, что всякий заряд слагается из элементарных зарядов одинаковой величины.

Значение элементарного заряда, установленное с учетом измерений Милликена и данных, полученных другими методами, равно

Электроном является элементарная частица, являющаяся одной из главных единиц в структуре вещества. Заряд электрона отрицательный. Самый точные измерения были сделаны в начале двадцатого века Милликеном и Иоффе.

Заряд электрона равен минус 1,602176487 (40)*10 -1 9 Кл.

Через эту величину измеряется электрический заряд других мельчайших частиц.

Общее понятие об электроне

В физике элементарных частиц говорится, что электрон — неделимый и не обладающий структурой. Он задействован в электромагнитных и гравитационных процессах, принадлежит к лептоновой группе, так же как и его античастица — позитрон. Среди других лептонов обладает самым легким весом. Если электроны и позитроны сталкиваются, это приводит к их аннигиляции. Подобная пара может возникнуть из гамма-кванта частиц.

До того как измерили нейтрино, именно электрон считался самой легкой частицей. В квантовой механике его относят к фермионам. Также электрон имеет магнитный момент. Если к нему относят и позитрон, то разделяют позитрон как положительно заряженную частицу, а электрон называют негатроном, как частицу с отрицательным зарядом.

Отдельные свойства электронов

Электроны относят к первому поколению лептонов, со свойствами частиц и волн. Каждый из них наделен состоянием кванта, которое определяют в результате измерения энергии, спиновой ориентации и других параметров. Принадлежность к фермионам у него раскрывается через невозможность нахождения в одном состоянии кванта одновременно двух электронов (по принципу Паули).

Его изучают так же, как квазичастицу в периодическом кристаллическом потенциале, у которой эффективная масса способна существенно отличаться от массы в состоянии покоя.

Посредством движения электронов происходит электрический ток, магнетизм и термо ЭДС. Заряд электрона в движении образует магнитное поле. Однако внешнее магнитное поле отклоняет частицу от прямого направления. При ускорении электрон приобретает способность поглощения или излучения энергии в качестве фотона. Из его множества состоят электронные атомические оболочки, число и положение которых определяют химические свойства.

Атомическая масса в основном состоит из ядерных протонов и нейтронов, в то время как масса электронов состовляет порядка 0,06 % от всего атомного веса. Электрическая сила Кулона является одной из главных сил, способных удерживать электрон рядом с ядром. Но когда из атомов создаются молекулы и возникают химические связи, электроны перераспределяются в новом образованном пространстве.

В появлении электронов участвуют нуклоны и адроны. Изотопы с радиоактивными свойствами способны излучать электроны. В условиях лабораторий эти частицы могут изучаться в специальных приборах, а например, телескопы могут детектировать от них излучения в плазменных облаках.

Открытие

Электрон открыли немецкие физики в девятнадцатом веке, когда изучали катодные свойства лучей. Затем другие ученые стали более детально изучать его, выводя в ранг отдельной частицы. Изучалось излучение и другие связанные физические явления.

К примеру, группа во главе с Томсоном оценила заряд электрона и массу катодных лучей, отношения которых, как она выяснили, не зависят от материального источника.
А Беккерель выяснил, что минералы излучают радиацию сами по себе, а их бета-лучи способны отклоняться посредством воздействия электрического поля, причем у массы и заряда сохранялось то же отношение, что и у катодных лучей.

Атомная теория

Согласно этой теории, атом состоит из ядра и электронов вокруг него, расположенных в виде облака. Они находятся в неких квантованных состояниях энергии, изменение которых сопровождается процессом поглощения или излучения фотонов.

Квантовая механика

В начале двадцатого века была сформулирована гипотеза, согласно которой материальные частицы имеют свойства как собственно частиц, так и волн. Также и свет способен проявляться в виде волны (ее называют волной де Бройля) и частиц (фотонов).

В результате было сформулировано знаменитое уравнение Шредингера, где описывалось распространение электронных волн. Этот подход и назвали квантовой механикой. При помощи него вычисляли электронные состояния энергии в атоме водорода.

Фундаментальные и квантовые свойства электрона

Частица проявляет фундаментальные и квантовые свойства.

К фундаментальным относятся масса (9,109*10 -31 килограмм), элементарный электрический заряд (то есть минимальная порция заряда). Согласно тем измерениям, что проведены до настоящего времени, у электрона не обнаруживается никаких элементов, способных выявить его субструктуру. Но некоторые ученые придерживаются мнения, что он является точечной заряженной частицей. Как указано в начале статьи, электронный электрический заряд - это -1,602*10 -19 Кл.

Являясь частицей, электрон одновременно может быть волной. Эксперимент с двумя щелями подтверждает возможность его одновременного прохождения через обе из них. Это вступает в противоречие со свойствами частицы, где каждый раз возможно прохождение только через одну щель.

Считается, что электроны имеют одинаковые физические свойства. Поэтому их перестановка, с точки зрения квантовой механики, не ведет к изменению системного состояния. Волновая функция электронов является антисимметричной. Поэтому ее решения обращаются в нуль тогда, когда одинаковые электроны попадают в одно квантовое состояние (принцип Паули).

Электрон - отрицательно заряженная элементарная частица, принадлежащая к классу лептонов (см. Элементарные частицы), носитель наименьшей известной сейчас массы и наименьшего электрического заряда в природе. Открыт в 1897 г. английским ученым Дж. Дж. Томсоном.

Электрон - составная часть атома, число электронов в нейтральном атоме равно атомному номеру, т. е. числу протонов в ядре.

Первые точные измерения электрического заряда электрона провел в 1909-1913 гг. американский фиаик Р. Милликен. Современное значение абсолютной величины элементарного заряда составляет единиц СГСЭ или примерно Кл. Считается, что этот заряд действительно «элементарен», т. е. он не может быть разделен на части, а заряды любых объектов являются его целыми кратными.

Вы, возможно, слышали о кварках с электрическими зарядами и но, по-видимому, они прочно заперты внутри адронов и в свободном состоянии не существуют. Вместе с постоянной Планка h и скоростью света с элементарный заряд образует безразмерную постоянную = 1/137. Постоянная тонкой структуры - один из важнейших параметров квантовой электродинамики, она определяет интенсивность электромагнитных взаимодействий (наиболее точное современное значение = 0,000015).

Масса электрона г (в энергетических единицах ). Если справедливы законы сохранения энергии и электрического заряда, то запрещены любые распады электрона, такие, как и т. п. Поэтому электрон стабилен; экспериментально получено, что время его жизни не менее лет.

В 1925 г. американские физики С. Гаудсмит и Дж. Уленбек для объяснения особенностей атомных спектров ввели внутренний момент количества движения электрона - спин (s). Спин электрона равен половине постоянной Планка , но физики обычно говорят просто, что спин электрона равен = 1/2. Со спином электрона связан его собственный магнитный момент . Величина эрг/Гс называется магнетоном Бора МБ (это принятая в атомной и ядерной физике единица измерения магнитного момента; здесь h - постоянная Планка, и m - абсолютная величина заряда и масса электрона, с - скорость света); числовой коэффициент - это -фактор электрона. Из квантовомеханического релятивистского уравнения Дирака (1928) следовало значение т. е. магнитный момент электрона должен был равняться в точности одному магнетону Бора.

Однако в 1947 г. в опытах было обнаружено, что магнитный момент примерно на 0,1% больше магнетона Бора. Объяснение этого факта было дано с учетом поляризации вакуума в квантовой электродинамике. Весьма трудоемкие вычисления дали теоретическое значение (0,000000000148), которое можно сравнить с современными (1981) экспериментальными данными: для электрона и позитрона (0,000000000050).

Величины вычислены и измерены с точностью до двенадцати знаков после запятой, причем точность экспериментальных работ выше точности теоретических расчетов. Это самые точные измерения в физике элементарных частиц.

Особенностями движения электронов в атомах, подчиняющегося уравнениям квантовой механики, определяются оптические, электрические, магнитные, химические и механические свойства веществ.

Электроны участвуют в электромагнитных, слабых и гравитационных взаимодействиях (см. Единство сил природы). Так, вследствие электромагнитного процесса происходит аннигиляция электрона и позитрона с образованием двух -квантов: . Электроны и позитроны высоких энергий могут участвовать и в других процессах электромагнитной аннигиляции с образованием адронов: адроны. Сейчас такие реакции усиленно изучаются на многочисленных ускорителях на встречных -пучках (см. Ускорители заряженных частиц).

Слабые взаимодействия электронов проявляются, например, в процессах с несохранением четности (см. Четность) в атомных спектрах или в реакциях между электронами и нейтрино .

Не имеется никаких данных о внутренней структуре электрона. Современные теории исходят из представлений о лептонах как о точечных частицах. В настоящее время это проверено экспериментально до расстояний см. Новые данные могут появиться лишь с повышением энергии столкновения частиц в будущих ускорителях.

позволят размеры поля, электрон остановится, а затем начнёт двигаться против силовых линий этого поля.

Еслиначальнаяскоростьнаправленапротивсиловыхлинийэлектрического поля, такое поле для электрона является ускоряющим. Положительныезарядыэлектрическоеполеперемещаетпонаправлению силовых линий поля.

1.2. Виды электронной эмиссии

Явление испускания электронов с поверхности твёрдого тела называют электронной эмиссией, а сам источник электронов - эмиттером. В зависимости от способов внешнего энергетического воздействиянаэлектроны, вызывающихихвыходизэмиттера, различают несколько видов электронной эмиссии.

Термоэлектронная эмиссия возникает в результате нагрева эмиттера. С повышением температуры возникают тепловые колебания решёткитвёрдоготела. Засчётэтойэнергиитепловоговозбуждениячасть электроноввыходитизэмиттера, образуятокэмиссии. Чемвышетемпература эмиттера, тем больше электронов приобретает такую энергию, вследствие чего возрастает ток термоэлектронной эмиссии. Минимальная температура, при которой появляется ток эмиссии, называется критической. Она зависит от материала эмиттера.

Вторичная электронная эмиссия - испускание вторичных элек-

тронов с поверхности эмиттера при облучении его потоком первичных электронов. Первичный электронный поток, падающий на вторичный эмиттер, частично отражается от его поверхности, а частично проникает вглубь. Здесь первичные электроны сталкиваютсясэлектронамикристаллическойрешёткиэмиттера, отдаютим часть своей энергии, возбуждая их. Часть возбуждённых электронов выходит во внешнюю среду, эти электроны являются вторичными.

Эффективность вторичного эмиттера оценивается коэффициентом вторичной эмиссии σ , равным отношению числа вторичных электроновn 2 (или токаI 2 ) к числу первичных электроновn 1 (или токаI 1 ).

Эмиссия под действием тяжёлых частицаналогична вторичной электронной эмиссии. Такими частицами могут быть положительныеионы. Приудареобэмиттер(катод) частицыотдаютчастьэнергииэлектронам. Еслиполнаяэнергия, сообщённаяэлектрону, больше, чем работа выхода, возникает эмиссия электронов.

Электростатическая электронная эмиссия (автоэлектронная)

возникает с поверхности твёрдого или жидкого тела под действием внешнего ускоряющего электрического поля с высокой напряжённостью (107 В/м). Чем больше напряжённость поля, тем больше ток автоэлектронной эмиссии.

Фотоэлектронная эмиссия возникает при облучении эмиттера световым потоком. Эффективность данного вида эмиссии зависит от длины волны (обратная зависимость) и от величины светового потока (зависимость прямая).

Все вокруг нас на планете состоит из маленьких, неуловимых для зрения частиц. Электроны - это одни из них. Их открытие произошло относительно недавно. И оно открыло новые представления о механизмах передачи электричества и устройства мира в целом.

Как делили неделимое

В современном понимании электроны - это элементарные частицы. Они являются целостными и не раскалываются на более мелкие структуры. Но такое представление существовало не всегда. До 1897 года об электронах не имели никакого понятия.

Ещё мыслители Древней Греции догадывались о том, что каждая вещь на свете, подобно зданию, состоит из множества микроскопических «кирпичиков». Наименьшей единицей вещества тогда считался атом, и это убеждение сохранялось веками.

Представление об атоме изменились только в конце XIX века. После исследований Дж. Томсона, Э. Резерфорда, Х. Лоренца, П. Зеемана, мельчайшими неделимыми частицами были признаны атомные ядра и электроны. Со временем были открыты протоны, нейтроны, а ещё позже - нейтрино, каоны, пи-мезоны и т. д.

Сейчас науке известно огромное количество элементарных частиц, свое место среди которых неизменно занимают и электроны.

Открытие новой частицы

• n - главное число, определяющее запас энергии электрона (соответствует номеру периода химического элемента);
• l - орбитальное число, которое описывает форму электронного облака (s - сферическая, p - форма восьмерки, d - форма клевера или двойной восьмерки, f - сложная геометрическая форма);
• m - магнитное число, определяющее ориентацию облака в магнитном поле;
• ms - спиновое число, характеризующее обращение электронов вокруг своей оси.

Заключение

Итак, электроны - это стабильные отрицательно заряженные частицы. Они элементарные и не могут распадаться на другие элементы. Их относят к фундаментальным частицам, то есть таким, которые входят в структуру вещества.

Электроны движутся вокруг атомных ядер и составляют их электронную оболочку. Они влияют на химические, оптические, механические и магнитные свойства различных веществ. Эти частицы участвуют в электромагнитном и гравитационном взаимодействии. Их направленное движение создает электрический ток и магнитное поле.