Понятие, свойства и заряд электрона

Примечания

  1. Также то же, что и электрум: «янтарного цвета сплав золота (80 %) с серебром (20 %)» (Черных П. Я. Историко-этимологический словарь).
  2. Ельяшевич М. А. // Физическая энциклопедия : / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Советская энциклопедия, 1988. — Т. 1: Ааронова — Бома эффект — Длинные линии. — С. 146—151. — 707 с. — 100 000 экз.
  3. Единица заряда СГСЭ (франклин или статкулон) определена как 110⋅c{\displaystyle {\frac {1}{10\cdot c}}} Кл = (2 997 924 580)−1 Кл (точно), где c — числовое значение скорости света в вакууме в единицах СИ (м/с), по определению равное 2 997 924 580. Единица заряда СГСМ, которую иногда называют абкулон, определена как 10 Кл. Поэтому элементарный заряд, выраженный в единицах заряда СГСЭ и СГСМ, также имеет точное значение.
  4. Наумов А. И. Физика атомного ядра и элементарных частиц. — М.: Просвещение, 1984. — С. 82. — 30 000 экз.
  5. Смондырев М. А. Квантовая электродинамика на малых расстояниях (рус.) // Природа. — Наука, 1980. — № 9. — С. 74—77.
  6. , с. 67.
  7. По предложению Карла Андерсона, открывшего позитрон в 1932 году.
  8. Из статьи Skibo J. G., Ramaty R. Primary and Secondary Cosmic Ray Positrons and Electrons // 23rd International Cosmic Ray Conference. — 1993. — Vol. 2. — P. 132—135. — .: «Hereafter, the term electron will refer to positrons and negatrons».
  9. Мотт Н., Снеддон И. Волновая механика и её применения. — М: Наука, 1966. — С. 30. — 9400 экз.
  10. Спроул Р. Современная физика. — М.: Наука, 1974. — С. 18. — 34 000 экз.
  11. Быков Г. В. К истории открытия электрона // Вопросы истории естествознания и техники. — 1963. — Вып. 15. — С. 25—29.
  12. Thomson G. P. The Septuagenarian Electron (англ.) // Phys. Today. — 1967. — Vol. 20, iss. 5. — P. 55.; Пер. с англ.:
  13. Киттель Ч. Квантовая теория твердых тел. — М.-Л.: Наука, 1967. — С. 103.
  14. Давыдов А. С. Теория твердого тела. — М.: Мир, 1979. — С. 122.
  15. Вайнберг С. Первые три минуты. — М.: Эксмо, 2011. — 208 с. — ISBN 978-5-699-46169-1.
  16. Смородинский Я. А. Законы и парадоксы элементарных частиц // Физика наших дней. Сборник. — М.: Знание, 1972. — С. 90—91.
  17. Дорман Л. И. Экспериментальные и теоретические основы астрофизики космических лучей. — М.: Наука, 1975. — 464 с.
  18. , с. 552.
  19. , с. 558.
  20. Щёлкин К. И. Физика микромира. — М.: Атомиздат, 1965. — 230 с.
  21. Розенталь И. Л., Архангельская И. В. Геометрия, динамика, Вселенная. — М.: Едиториал УРСС, 2003. — С. 175. — ISBN 5-354-00413-6.
  22. Вайскопф В. Физика в двадцатом столетии. — М.: Атомиздат, 1977. — С. 103.
  23. Бор Н. Дискуссии с Эйнштейном о проблемах теории познания в атомной физике // Атомная физика и человеческое познание. — М.: ИЛ, 1961. — С. 92.
  24. Розенфельд Л. Квантовая электродинамика // Нильс Бор и развитие физики. — М.: ИЛ, 1958. — С. 115.
  25. Иваненко Д. Д. Элементарные частицы // Очерки развития основных физических идей. — М.: АН СССР, 1959. — С. 427. — 5000 экз.
  26. Пономарев Л. И. По ту сторону кванта. — М.: Молодая гвардия, 1971. — С. 43.
  27. Новиков И. Д. Как взорвалась Вселенная. — М.: Наука, 1988. — 141 с. — ISBN 5-02-013881-9.
  28. , с. 65.

Новые технологии

Физикам, открывшим электрон, пришлось ждать несколько десятков лет до тех пор, пока их открытие было применено на практике. В наше время технологии находят использование уже через несколько лет, достаточно вспомнить графен – удивительный материал, состоящий из атомов углерода в один слой. Чем будет полезно расщепление электрона? Ученые предрекают создание квантового компьютера, скорость которого, по их мнению, в несколько десятков раз больше, чем у самых мощных современных ЭВМ.

В чем тайна квантовой компьютерной технологии? Это можно назвать простой оптимизацией. В привычном компьютере минимальная, неделимая часть информации – это бит. И если мы считаем данные чем-то визуальным, то для машины варианта только два. Бит может содержать либо ноль, либо единицу, то есть части двоичного кода.

Свойства

Заряд электрона неделим и равен −1,602176634⋅10−19Кл (точно) (или −4,803204712570263⋅10−10ед. заряда СГСЭ (точно) в системе СГСЭ или −1,602176634⋅10−20 ед. СГСМ (точно) в системе СГСМ); он был впервые непосредственно измерен в экспериментах А. Ф. Иоффе () и Р. Милликена (). Заряд электрона, взятый с положительным знаком (элементарный заряд), служит единицей измерения электрического заряда других элементарных частиц. В настоящее время (с 2019 года) основные единицы СИ привязаны к фундаментальным константам; в частности, определение кулона привязано к элементарному заряду, поэтому все вышеприведённые значения заряда указаны без погрешности, они по определению имеют абсолютную точность.

me=9,1093837015(28)⋅10−31{\displaystyle {m_{\mathrm {e} }}=9{,}1093837015(28)\cdot 10^{-31}} кг — масса электрона.
e=−1,602176634⋅10−19{\displaystyle {e_{0}}=-1{,}602176634\cdot 10^{-19}} Кл — заряд электрона.
eme=−1,75882001076(53)⋅1011{\displaystyle {\frac {e_{0}}{m_{\mathrm {e} }}}=-1{,}75882001076(53)\cdot 10^{11}} Кл/кг — удельный заряд электрона.
s=12{\displaystyle s={\frac {1}{2}}} — спин электрона в единицах ℏ.{\displaystyle \hbar .}

В отличие от большинства других известных науке частиц, электрон стабилен (более точно, в пределах чувствительности эксперимента его время жизни не менее 6,6⋅1028 лет с 90%-й доверительной вероятностью). Распаду свободного электрона на нейтрино и фотоны препятствует закон сохранения электрического заряда, а распаду на другие элементарные частицы препятствует закон сохранения энергии.

Современная наука рассматривает электрон как фундаментальную элементарную частицу, не обладающую внутренней структурой и размерами. Эксперименты по сверхточному определению магнитного момента электрона (Нобелевская премия 1989 года) показывают, что размеры электрона не превышают 10−20 см. Проведённые до этого эксперименты по столкновению электронов высоких энергий давали более грубое ограничение на размеры: 10−17 см.

Внутренняя чётность электрона равна +1. Электрон участвует в слабом, электромагнитном и гравитационном взаимодействиях. Примерами участия электрона в слабых взаимодействиях являются бета-распад и электронный захват. Он принадлежит к группе лептонов и является (вместе со своей античастицей, позитроном) легчайшим из заряженных лептонов и легчайшей элементарной частицей, имеющей электрический заряд. До открытия массы нейтрино электрон считался наиболее лёгкой из массивных частиц — его масса примерно в 1836 раз меньше массы протона. Спин электрона равен 12, и, таким образом, электрон относится к фермионам.

Как и любая заряженная частица со спином, электрон обладает магнитным моментом, причём магнитный момент делится на нормальную часть и аномальный магнитный момент (добавка примерно 0,116%). Магнитный момент электрона μe = -9,2847647043(28)⋅10−24 Дж/Тл. В 1989 году Г. Демельту была присуждена Нобелевская премия по физике за измерение магнитного момента электрона с точностью до 13 знаков после запятой.

Иногда к электронам относят как собственно электроны, так и позитроны (например, рассматривая их как общее электрон-позитронное поле, решение уравнения Дирака), особенно в тех задачах, когда их общие свойства более существенны, чем различия. При таком выборе терминов отрицательно заряженный электрон называют негатроном, положительно заряженный — позитроном.

Находясь в периодическом потенциале кристалла, электрон рассматривается как квазичастица, эффективная масса которой может значительно отличаться от массы электрона в вакууме.

Свободный электрон не может поглотить фотон, хотя и может рассеять его (см. эффект Комптона).

Благодаря своей малой массе электроны вследствие туннельного эффекта с лёгкостью проникают через потенциальные барьеры высотой в несколько электрон-вольт и толщиной примерно до десятка атомных диаметров. Явлением туннельного эффекта для электронов объясняется то, что электрический ток может протекать между металлическим электродом и ионами раствора или между двумя металлами, находящимися в контакте, несмотря на то, что поверхность металла обычно покрыта слоями окисла или загрязнена.

Отношение электрического заряда к массе для электрона во много раз превышает аналогичное отношение для любой другой элементарной частицы или системы частиц. Электроны можно получать из твёрдых тел относительно легко по сравнению с любыми другими частицами. Эти два обстоятельства лежат в основе многочисленных применений электронов в электровакуумных приборах.

Электростатика

Основная статья: Электростатика

Электростатикой называют раздел учения об электричестве, в котором изучаются взаимодействия и свойства систем электрических зарядов, неподвижных относительно выбранной инерциальной системы отсчёта.

Величина электрического заряда (иначе, просто электрический заряд) может принимать и положительные, и отрицательные значения; она является численной характеристикой носителей заряда и заряженных тел. Эта величина определяется таким образом, что силовое взаимодействие, переносимое полем между зарядами, прямо пропорционально величине зарядов, взаимодействующих между собой частиц или тел, а направления сил, действующих на них со стороны электромагнитного поля, зависят от знака зарядов.

Электрический заряд любой системы тел состоит из целого числа элементарных зарядов, равных примерно 1,6⋅10−19Кл в системе СИ или 4,8⋅10−10ед. СГСЭ. Носителями электрического заряда являются электрически заряженные элементарные частицы. Наименьшей по массе устойчивой в свободном состоянии частицей, имеющей один отрицательный элементарный электрический заряд, является электрон (его масса равна 9,11⋅10−31 кг). Наименьшая по массе устойчивая в свободном состоянии античастица с положительным элементарным зарядом — позитрон, имеющая такую же массу, как и электрон. Также существует устойчивая частица с одним положительным элементарным зарядом — протон (масса равна 1,67⋅10−27 кг) и другие, менее распространённые частицы. Выдвинута гипотеза (1964 г.), что существуют также частицы с меньшим зарядом (±⅓ и ±⅔ элементарного заряда) — кварки; однако они не выделены в свободном состоянии (и, по-видимому, могут существовать лишь в составе других частиц — адронов), в результате любая свободная частица несёт лишь целое число элементарных зарядов.

Электрический заряд любой элементарной частицы — величина релятивистски инвариантная. Он не зависит от системы отсчёта, а значит, не зависит от того, движется этот заряд или покоится, он присущ этой частице в течение всего времени её жизни, поэтому элементарные заряженные частицы зачастую отождествляют с их электрическими зарядами. В целом, в природе отрицательных зарядов столько же, сколько положительных. Электрические заряды атомов и молекул равны нулю, а заряды положительных и отрицательных ионов в каждой ячейке кристаллических решёток твёрдых тел скомпенсированы.

Кратные и дольные единицы

В ядерной физике и физике высоких энергий обычно используются кратные единицы: килоэлектронвольты (кэВ, keV, 103 эВ), мегаэлектронвольты (МэВ, MeV, 106 эВ), гигаэлектронвольты (ГэВ, GeV, 109 эВ) и тераэлектронвольты (ТэВ, TeV, 1012 эВ). В физике космических лучей, кроме того, используются петаэлектронвольты (ПэВ, PeV, 1015 эВ) и эксаэлектронвольты (ЭэВ, EeV, 1018 эВ). В зонной теории твердого тела, физике полупроводников и физике нейтрино — дольные единицы: миллиэлектронвольты (мэВ, meV, 10−3 эВ).

КратныеДольные
величинаназваниеобозначениевеличинаназваниеобозначение
101 эВдекаэлектронвольтдаэВdaeV10−1 эВдециэлектронвольтдэВdeV
102 эВгектоэлектронвольтгэВheV10−2 эВсантиэлектронвольтсэВceV
103 эВкилоэлектронвольткэВkeV10−3 эВмиллиэлектронвольтмэВmeV
106 эВмегаэлектронвольтМэВMeV10−6 эВмикроэлектронвольтмкэВµeV
109 эВгигаэлектронвольтГэВGeV10−9 эВнаноэлектронвольтнэВneV
1012 эВтераэлектронвольтТэВTeV10−12 эВпикоэлектронвольтпэВpeV
1015 эВпетаэлектронвольтПэВPeV10−15 эВфемтоэлектронвольтфэВfeV
1018 эВэксаэлектронвольтЭэВEeV10−18 эВаттоэлектронвольтаэВaeV
1021 эВзеттаэлектронвольтЗэВZeV10−21 эВзептоэлектронвольтзэВzeV
1024 эВиоттаэлектронвольтИэВYeV10−24 эВиоктоэлектронвольтиэВyeV
 применять

Электризация тел

Чтобы макроскопическое тело оказывало электрическое влияние на другие тела, его нужно электризовать. Электризация — это нарушение электрической нейтральности тела или его частей. В результате электризации тело становится способным к электромагнитным взаимодействиям.

Один из способов электризовать тело — сообщить ему электрический заряд, то есть добиться избытка в данном теле зарядов одного знака. Это несложно сделать с помощью трения.

Так, при натирании шёлком стеклянной палочки часть её отрицательных зарядов уходит на шёлк. В результате палочка заряжается положительно, а шёлк — отрицательно. А вот при натирании шерстью эбонитовой палочки часть отрицательных зарядов переходит с шерсти на палочку: палочка заряжается отрицательно, а шерсть — положительно.

Данный способ электризации тел называется электризацией трением. С электризацией трением вы сталкиваетесь всякий раз, когда снимаете свитер через голову ;-)

Другой тип электризации называется электростатической индукцией, или электризацией через влияние. В этом случае суммарный заряд тела остаётся равным нулю, но перераспределяется так, что в одних участках тела скапливаются положительные заряды, в других — отрицательные.

Рис. 2. Электростатическая индукция

Давайте посмотрим на рис. 2. На некотором расстоянии от металлического тела находится положительный заряд . Он притягивает к себе отрицательные заряды металла (свободные электроны), которые скапливаются на ближайших к заряду участках поверхности тела. На дальних участках остаются нескомпенсированные положительные заряды.

Несмотря на то, что суммарный заряд металлического тела остался равным нулю, в теле произошло пространственное разделение зарядов. Если сейчас разделить тело вдоль пунктирной линии, то правая половина окажется заряженной отрицательно, а левая — положительно.

Наблюдать электризацию тела можно с помощью электроскопа. Простой электроскоп показан на рис. 3 (изображение с сайта en.wikipedia.org).

Рис. 3. Электроскоп

Что происходит в данном случае? Положительно заряженная палочка (например, предварительно натёртая) подносится к диску электроскопа и собирает на нём отрицательный заряд. Внизу, на подвижных листочках электроскопа, остаются нескомпенсированные положительные заряды; отталкиваясь друг от друга, листочки расходятся в разные стороны. Если убрать палочку, то заряды вернутся на место и листочки опадут обратно.

Явление электростатической индукции в грандиозных масштабах наблюдается во время грозы. На рис. 4 мы видим идущую над землёй грозовую тучу.

Рис. 4. Электризация земли грозовой тучей

Внутри тучи имеются льдинки разных размеров, которые перемешиваются восходящими потоками воздуха, сталкиваются друг с другом и электризуются. При этом оказывается, что в нижней части тучи скапливается отрицательный заряд, а в верхней — положительный.

Отрицательно заряженная нижняя часть тучи наводит под собой на поверхности земли заряды положительного знака. Возникает гигантский конденсатор с колоссальным напряжением между тучей и землёй. Если этого напряжения будет достаточно для пробоя воздушного промежутка, то произойдёт разряд — хорошо известная вам молния.

Использование

Эксперименты с трубкой Крукса впервые продемонстрировали природу электронов

В большинстве источников низкоэнергетичных электронов используются явления термоэлектронной эмиссии и фотоэлектронной эмиссии. Высокоэнергетичные, с энергией от нескольких кэВ до нескольких МэВ, электроны излучаются в процессах бета-распада и внутренней конверсии радиоактивных ядер. Электроны, излучаемые в бета-распаде, иногда называют бета-частицами или бета-лучами. Источниками электронов с более высокой энергией служат ускорители.

Движение электронов в металлах и полупроводниках позволяет легко переносить энергию и управлять ею. Это явление (электрический ток) является одной из основ современной цивилизации и используется практически повсеместно в промышленности, связи, информатике, электронике, в быту. Скорость дрейфа электронов в проводниках крайне мала (~0,1—1 мм/с), однако электрическое поле распространяется со скоростью света. В связи с этим ток во всей цепи устанавливается практически мгновенно.

Пучки электронов, ускоренные до больших энергий, например, в линейных ускорителях, являются одним из основных средств изучения строения атомных ядер и природы элементарных частиц. Более прозаическим применением электронных лучей являются телевизоры и мониторы с электронно-лучевыми трубками (ЭЛТ) — кинескопами. Электронный микроскоп также использует способность электронных пучков подчиняться законам электронной оптики. Ещё ускоренные электронные лучи применяются для создания рентгеновского излучения: при попадании электронного пучка в металлическую мишень происходит рассеяние электронов на электростатическом поле атомных ядер и электронов и генерация тормозного излучения. До изобретения транзисторов практически вся радиотехника и электроника были основаны на вакуумных электронных лампах, где применяется управление движением электронов в вакууме электрическими (иногда и магнитными) полями. Электровакуумные приборы (ЭВП) продолжают ограниченно использоваться и в наше время. Наиболее распространённые применения — магнетроны в генераторах микроволновых печей и вышеупомянутые электронно-лучевые трубки в телевизорах и мониторах.

Электронные пучки используются в устройствах для очистки дымовых газов и в буровых установках для бурения скальных пород.

Применение

Большинство людей пользуется компьютером на бытовом уровне. С этим пока отлично справляются и обычные ПК, однако чтобы прогнозировать события, зависящие от тысяч, а может и сотен тысяч переменных, машина должна быть просто огромна. Квантовый компьютер же легко справится с такими вещами, как прогнозирование погоды на месяц, обработка данных по стихийным бедствиям и их предсказание, а также будет совершать сложнейшие математические вычисления со многими переменными за долю секунды, и все это с процессором величиной в несколько атомов. Так что возможно, уже очень скоро наши самые мощные компьютеры будут толщиной с лист бумаги.

Оплата наших услуг через банковский перевод. ***

ООО «Электрон-Телеком»ИНН/КПП: 5012072168/501201001Расчетный счет: 40702810440040002023Банк: Сбербанк России ПАО г

МоскваКорреспондентский счет: 30101810400000000225БИК: 044525225
*** Вниманию абонентов! Банковский перевод предназначен главным образом для юридических лиц, срок прохождения платежа данным методом может достигать 3х-4х рабочих суток.

*** Внимание! Для успешной оплаты в «Назначении платежа» необходимо указывать номер договора и наименование организации (для юридических лиц) или номер договора и Ф.И.О. плательщика (для физических лиц).

*** Внимание! НДС не облагается

Новые эксперименты

Советские ученые еще в восьмидесятых годах прошлого века предположили, что электрон возможно будет разделить на три квазичастицы. В 1996 году удалось разделить его на спинон и холон, а недавно физиком Ван ден Бринком и его командой частица была разделена на спинон и орбитон. Однако расщепления удается добиться только в специальных условиях. Эксперимент может проводиться в условиях крайне низких температур.

Когда электроны «остывают» до абсолютного нуля, а это около -275 градусов по Цельсию, они практически останавливаются и образуют между собой нечто вроде материи, будто сливаясь в одну частицу. В таких условиях физикам и удается наблюдать квазичастицы, из которых «состоит» электрон.

Для пополнения баланса лицевого счета через банковскую карту или электронные платежные системы выберите ниже назначение платежа(Интернет или ЦТВ):

Прием платежей в офисе компании Электрон

Пользователи сети Электрон имеют возможность оплатить услуги в офисе нашей компании, по адресу: г.Железнодорожный, ул.Главная, д.22 в здании компании Электрон (1й этаж, абонентский отдел).
С понедельника по субботу, с 9:00 до 17:45, обед с 13:00 до 14:00, воскресенье — выходной день.

Прием платежей в кассах единого расчетного центра.

ул. Новая д.7, Единый расчетный центр.Время работы: с 09:00 до 18:00 (Обед с 13:00 до 14:00, сб. до 16:00 без обеда, вс. выходной)

ул. Советская, д. 5, ТЦ «Юнион»(вход ближе к станции, у вывески магазина DNS).Время работы: с 09:00 до 21:00 (Обед с 14:00 до 15:00, сб., вс. до 19:00 без обеда)

ул. Юбилейная, д. 2к1, пом. магазина «Дикси».Время работы: с 10:00 до 20:00 (Обед с 14:00 до 15:00, сб. до 16:00 без обеда, вс. выходной)

ул. Советская, д. 30/2, пом. маг. «Дикси».Время работы: с 09:00 до 20:00 (Обед с 13:00 до 14:00, вс. выходной)

ул. Пионерская, д. 12б, пом. ООО «Жилкомсоюз».Время работы: с 09:00 до 18:00 (Обед с 14:00 до 14:00, вс. выходной)

ул. Струве, д. 9/1.Время работы: с 09:00 до 18:00 (Обед с 13:00 до 14:00, вс. выходной)

ул. Главная, д. 22в, ТЦ «Ольгино», 2-ой этаж.Время работы: с 10:00 до 20:00 (Обед с 14:00 до 15:00, сб. до 16:00 без обеда, вс. до 18:00)

ул. Граничная, д. 34, пом. ООО «УК Павлино».Время работы: с 09:00 до 18:00 (Обед с 13:00 до 14:00, вс., пн. выходной)

ул. Саввинская, д. 2а, ТЦ «Саввино», первый этаж.Время работы: с 10:00 до 20:00 (Обед с 14:00 до 15:00, сб. до 18:00, вс. выходной)

ул. 1 Мая, д. 4, пом. «ГИБДД».Время работы: с 09:00 до 18:00 (Обед с 13:00 до 14:00, сб. до 17.00 без обеда, вс. выходной)

мкр-н. Павлино, здание ОДС, пом. ООО «ПрогрессЖилСервис», второй этаж комн. 24.Время работы: с 09:00 до 18:00 (Обед с 13:00 до 14:00, сб., вс. выходной)

мкр-н. Павлино, д. 35/1, ТЦ «Пятерочка», второй этаж.Время работы: с 10:00 до 20:00 (Обед с 14:00 до 15:00, сб., вс. до 18:00)

ул. Керамическая, д. 20.Время работы: с 09:00 до 20:00 (Обед с 14:00 до 15:00, сб., вс. до 18:00 обед с 13:00 до 14:00)

ул. Адмирала Нахимова, д. 8в, ТЦ «Да».Время работы: с 09:00 до 19:00 (Обед с 13:00 до 15:00, вс. выходной)

ул. Центральная, д. 40, ТЦ «Эдельвейс» второй этаж, рынок.Время работы: с 10:00 до 20:00 (Обед с 14:00 до 15:00, сб., вс. до 18:00)

Оплата наших услуг через банковский перевод. ***

ООО «Электрон-Телеком»ИНН/КПП: 5012072168/501201001Расчетный счет: 40702810440040002023Банк: Сбербанк России ПАО г

МоскваКорреспондентский счет: 30101810400000000225БИК: 044525225
*** Вниманию абонентов! Банковский перевод предназначен главным образом для юридических лиц, срок прохождения платежа данным методом может достигать 3х-4х рабочих суток.

*** Внимание! Для успешной оплаты в «Назначении платежа» необходимо указывать номер договора и наименование организации (для юридических лиц) или номер договора и Ф.И.О. плательщика (для физических лиц).

*** Внимание! НДС не облагается

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.

Некоторые значения энергий и масс в электронвольтах

Энергия кванта электромагнитного излучения с частотой 1 ТГц
4,13 мэВ
Тепловая энергия поступательного движения одной молекулы при комнатной температуре
0,025 эВ
Энергия фотона с длиной волны 1240 нм (ближняя инфракрасная область оптического спектра)
1,0 эВ
Энергия фотона с длиной волны ~500 нм (граница зелёного и голубого цветов в видимом спектре)
~2,5 эВ
Энергия образования одной молекулы воды из водорода и кислорода
3,0 эВ
Постоянная Ридберга (почти равна энергии ионизации атома водорода)
13,605 693 122 994(26) эВ
Энергия электрона в лучевой трубке телевизора
Порядка 20 кэВ
Энергии космических лучей
1 МэВ — 1⋅1021 эВ
Типичная энергия ядерного распада
альфа-частицы
2—10 МэВ
бета-частицы
0,1—6 МэВ
гамма-лучи
0—5 МэВ
Массы частиц
Нейтрино
Сумма масс всех трёх ароматов < 0,28 эВ
Электрон
0,510 998 950 00(15) МэВ
Протон
938,272 088 16(29) МэВ
Бозон Хиггса
125,09 ± 0,24 ГэВ
t-кварк
173,315 ± 0,485 ± 1,23 ГэВ
Планковская масса
MP=ℏcG{\displaystyle M_{P}={\sqrt {\frac {\hbar c}{G}}}}
1,220 890(14)⋅1019 ГэВ

Этимология и история открытия

Краткий обзор различных семейств элементарных и составных частиц и теории, описывающие их взаимодействия. Элементарные частицы слева — фермионы, справа — бозоны. (Термины — гиперссылки на статьи ВП)

Название «электрон» происходит от греческого слова ἤλεκτρον, означающего «янтарь»: ещё в древней Греции естествоиспытателями проводились эксперименты — куски янтаря тёрли шерстью, после чего те начинали притягивать к себе мелкие предметы. Термин «электрон» как название фундаментальной неделимой единицы заряда в электрохимии был предложенДж. Дж. Стоуни в 1894 году (сама единица была введена им в 1874 году). Открытие электрона как частицы принадлежит Э. Вихерту и Дж. Дж. Томсону, которые в году установили, что отношение заряда к массе для катодных лучей не зависит от материала источника.

Согласно гипотезе де Бройля (), электрон (как и все другие материальные микрообъекты) обладает не только корпускулярными, но и волновыми свойствами. Де-бройлевская длина волны электрона равна λ=hp{\displaystyle \lambda ={\frac {h}{p}}}, где h{\displaystyle h} — постоянная Планка, p{\displaystyle p} — импульс электрона. В нерелятивистском случае v≪c{\displaystyle v\ll c} она равна λ=hmev{\displaystyle \lambda ={\frac {h}{m_{\mathrm {e} }v}}}, где v{\displaystyle v} — скорость движения электрона, me{\displaystyle m_{\mathrm {e} }} — масса электрона. В ультрарелятивистском случае v→c,E≫mec2{\displaystyle v\rightarrow c,E\gg m_{\mathrm {e} }c^{2}} она равна λ=hcE{\displaystyle \lambda ={\frac {hc}{E}}}, где c{\displaystyle c} — скорость света, E{\displaystyle E} — энергия электрона.

В соответствии с этим электроны, подобно свету, могут испытывать интерференцию и дифракцию. Волновые свойства электронов были экспериментально обнаружены в 1927 году американскими физиками К. Дэвиссоном и Л. Джермером (Опыт Дэвиссона — Джермера) и независимо английским физиком Дж. П. Томсоном.

Основные сведения

В физике элементарных частиц в электронвольтах обычно выражается не только энергия Е, но и масса m элементарных частиц. Основанием для этого служит тот факт, что в силу эквивалентности массы и энергии выполняется соотношение Е = mc2, где c — скорость света. Поскольку c — фундаментальная постоянная, равная 299 792 458 м/с (точно), не изменяющаяся ни при каких условиях, то указание в качестве характеристики массы частицы её энергии, выраженной в электронвольтах, однозначно определяет значение массы в любых традиционных единицах и к недоразумениям не приводит. В единицах массы 1 эВ = 1,782 661 921…⋅10−36кг (точно), и напротив, 1 кг = 5,609 588 603…⋅1035 эВ (точно). Атомная единица массы близка по значению к 1 ГэВ (с погрешностью около 7 %): 1 а. е. м. = 931,494 102 42(28) МэВ, и напротив, 1 ГэВ = 1,073 544 102 33(32) а. е. м.. Импульс элементарной частицы также может быть выражен в электронвольтах (строго говоря, в эВ/c).

Электронвольт по сравнению с энергиями, характерными для большинства ядерных процессов, — маленькая величина, в этой области физики обычно применяются кратные единицы:

  • килоэлектронвольт (кэВ) — 1000 эВ,
  • мегаэлектронвольт (МэВ) — 1 млн электронвольт,
  • гигаэлектронвольт (ГэВ) — 1 млрд электронвольт,
  • тераэлектронвольт (ТэВ) — 1 трлн электронвольт.

Последнее поколение ускорителей элементарных частиц позволяет достичь нескольких триллионов электронвольт (тераэлектронвольт, ТэВ). Один ТэВ приблизительно равен (кинетической) энергии летящего комара или энергии, выделяющейся при падении маленькой капли воды диаметром в 1 мм (массой ок. 0,5 мг) с высоты 3 см.

Температура, которая является мерой средней кинетической энергии частиц, тоже иногда выражается в электронвольтах, исходя из соотношения температуры и энергии частиц в одноатомном идеальном газе Eкин = 32. В температурных единицах 1 эВ соответствует 11 604,518 12… кельвин (точно) (см. постоянная Больцмана).

В электронвольтах выражают энергию квантов электромагнитного излучения (фотонов). Энергия фотонов с частотой ν в электронвольтах численно равна hν/EэВ, а излучения с длиной волны λ — hc/(λEэВ), где h — постоянная Планка, а EэВ — энергия, равная одному электронвольту, выраженная в единицах той же системы единиц, что и использованная для выражения h, ν и λ. Так как для ультрарелятивистских частиц, в том числе фотонов, λE = hc, то при вычислении энергии фотонов с известной длиной волны (и наоборот) часто полезен коэффициент пересчёта, представляющий собой выраженное в эВ·нм произведение постоянной Планка и скорости света:

hc = 1239,841 984… эВ·нм (точно) ≈ 1240 эВ·нм.

Так, фотон с длиной волны 1 нм имеет энергию 1240 эВ; фотон с энергией 10 эВ имеет длину волны 124 нм и т. д.

В электронвольтах измеряется также работа выхода при внешнем фотоэффекте — минимальная энергия, необходимая для удаления электрона из вещества под действием света.

В химии часто используется молярный эквивалент электронвольта. Если один моль электронов или однозарядных ионов перенесён между точками с разностью потенциалов 1 В, он приобретает (или теряет) энергию Q = 96 485,332 12… Дж (точно), равную произведению 1 эВ на число Авогадро. Эта величина численно равна постоянной Фарадея. Аналогично, если при химической реакции в одном моле вещества выделяется (или поглощается) энергия 96,5 кДж, то соответственно каждая молекула теряет (или получает) около 1 эВ.

В электронвольтах измеряется также ширина распада Γ элементарных частиц и других квантовомеханических состояний, например ядерных энергетических уровней. Ширина распада — это неопределённость энергии состояния, связанная с временем жизни состояния τ соотношением неопределённостей: Γ = ħ/τ). Частица с шириной распада 1 эВ имеет время жизни 6,582 119 569…⋅10−16 с (точно). Аналогично квантовомеханическое состояние с временем жизни 1 с имеет ширину 6,582 119 569…⋅10−16 эВ (точно).

Одним из первых термин «электронвольт» применил американский физик и инженер в 1923 году.

Оцените статью:
Оставить комментарий
Adblock
detector