Електрон як елементарна частинка електричного заряду

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВСТУП

У середині і другій половині ХХ століття в тих розділах фізики, які зайняті вивченням фундаментальної структури матерії, були отримані воістину дивовижні результати. Перш за все це проявилося у відкритті цілого безлічі нових субатомних частинок. Їх зазвичай називають елементарними частинками, але далеко не всі з них дійсно елементарні. Багато хто з них у свою чергу складаються з ще більш елементарних частинок.

Світ субатомних часток воістину різноманітний. До них відносяться протони і нейтрони, що становлять атомні ядра, а також обертаються навколо ядер електрони. Але є й такі частинки, які в навколишньому нас речовині практично не зустрічаються. Час їхнього життя надзвичайно малий, він становить дрібні частки секунди. Після закінчення цього надзвичайно короткого часу вони розпадаються на звичайні частинки. Таких нестабільних короткоживучих частинок вражаюче багато: їх відомо вже кілька сотень.

У 60-70-і роки фізики були абсолютно збиті з пантелику численністю, різноманітністю і незвичністю знову відкритих субатомних частинок. Здавалося, їм не буде кінця. Абсолютно незрозуміло, для чого стільки частинок. Чи є ці елементарні частинки хаотичними і випадковими осколками матерії? Або, можливо, вони таять у собі ключ до пізнання структури Всесвіту? Розвиток фізики в наступні десятиліття показав, що в існуванні такої структури немає ніяких сумнівів. Наприкінці ХХ ст. фізика починає розуміти, яке значення кожної з елементарних частинок.

Миру субатомних часток притаманний глибокий і раціональний порядок. У основі цього порядку - фундаментальні фізичні взаємодії.

1. Поняття електрону

Електрон (англ. electron, нім. Elektron) - стабільна, негативно заряджена елементарна частинка, що входить до складу всіх атомів. Має найменший електричний заряд (е= -- 1,6021892(46)10^-19 кулон) і найменшу масу (маса спокою) дорівнює 9,109554(906)Ч10^-31 кг.

Електрон належить до родини лептонів, має заряд ?1, спін 1/2. Античастинкою для електрона є позитрон. Завдяки напівцілому спіну електрон є ферміоном, і підкоряється статистиці Фермі-Дірака.

Рух електрона описується рівняннями квантової механіки. Електрон -- хімічно активна складова атома, де вона пов'язана з електропозитивним ядром силами електростатичного притягання.

У квантовій теорії кристалів електрон це певна квазічастка із характерними для даного кристалу властивостями, зокрема законом дисперсії, ефективною масою й т.д.

Поряд із делокалізованими електронами, які мають певний квазіімпульс і рухаються вздовж усього кристалу, існують електрони, локалізовані на домішках чи дефектах кристалічної гратки. Електронами зони провідності та дірками у валентній зоні визначається провідність матеріалів.

Електрон (рос. электрон, англ. elektron, нім. Elektron)

2. Особливості відкриття електрону

Існування найдрібніших частинок, що мають найменший електричний заряд доведено багатьма дослідами. Електричний заряд одна з основних властивостей електрона. Не можна собі уявити, що цей заряд можна “ зняти” з електрона, вони невіддільні один від одного.

Електрон частинка з найменшим від'ємним зарядом.

Маса електрона м =9,1*10-31 кг.

Заряд електрона е=1,6 *10-19Кл.

Перенесення заряду - це перехід з одного тіла на інше. Щоб уявлення про заряд електрона зробити наочнішим, зазначимо, що коли в провіднику сила струму дорівнює 1А, тобто за 1с переноситься 6,288 *10 18 електронів. Через лампочку потужністю 60 Вт при напрузі 120 В за секунду проходить 3,144 *1018 електронів.

Мимоволі виникає запитання, наскільки можна вірити наведеним числам. Що це - сміливе припущення чи результат дійсних вимірювань? Якщо вимірювань, то ким, коли і як ці вимірювання зроблені.

Історія електрона починається з другої половини 19 ст.,коли англійський фізик Фарадей установив закон електролізу. Розкладання хімічних сполук під дією електричного струму було відоме ще до Фарадея. Саме слово “електроліз” він увів, так само як і терміни “електроліти” для розчинів кислот, солей, лугів і основ, “електроди “ для полюсів, підводять до рідини струм, “іони” для частинок, на які розпадається розчинена речовина. Зазначимо, що слово “іон” грецьке, в перекладі означає “подорожній”, “мандрівник”. Розкладання електролітів на іони - електролітична дисоціація - зумовлюється не електричним струмом, а тим, що вода має властивість у 81 раз послаблювати притягання між іонами в кристалічній решітці хімічних сполук.

Наша основна мета - з'ясувати, як зародилася думка про існування електронів. Власне кажучи, на цю думку наштовхує вже закон електролізу, встановлений Фарадеєм.

Закон електролізу формулюється так: маса речовини, яка виділяється на електроді за час t під час проходження електричного струму, пропорційна силі струму і часу: m=klt, де k- коефіцієнт пропорційності, що залежить від природи речовини.

У 1879 р. Уільям Крукс прочитав перед Лондонським Королівським товариством доповідь під заголовком “Молекулярна фізика при великих розрідженнях”. У цій доповіді він показав, що коли відкачати повітря в трубці з впаяними електродами, то в трубці на протилежному до катода кінці при високій напрузі виникає зеленувате світіння скла - фосфоресценція. Якщо позитивний полюс впаяти в інше місце, то світіння все одно виникає на кінці протилежному до поверхні катода, ніби від катода йде потік проміння в прямому напрямі (катодне проміння).Розміщуючи на шляху катодного проміння металевий екран, наприклад: у вигляді зірки, можна дістати тінь його в зеленувато-фосфореціюючій ділянці трубки; це ще більше підтверджує прямолінійність катодного проміння.

У Кембриджі працював один з найвидатніших фізиків 19 ст. Джозеф Джон Томсон. Він ретельно дослідив катодне проміння.

Визначні в історії фізики досліди Томсона на відхилення катодного проміння в магнітному або електричному полі показали, що катодне проміння - це пучок швидких електрично заряджених частинок. Томсону довелося довести, що заряд цих частинок тотожний елементарному заряду, виявленому Фарадеєм у дослідах з електролізу. Отже, катодне проміння - це потік заряджених частинок-електронів. Оскільки електричний струм має магнітні властивості, то природно, що електрони, які летять в трубці,відхиляються під впливом магніту. Електричне поле також діє на заряджену частину.

Томсон ставив досліди в багатьох варіантах. Камінь кинутий горизонтально, відхиляється від горизонтальної лінії силою земного притягання. Так само електрон відхиляється силою, з якою діє на нього магнітне чи електричне поле. Для магнітного поля ця сила F=BeV, де В - магнітна індукція, е- заряд електрона.V- швидкість його руху. Для електричного поля відхиляюча сила дорівнюватиме Ее. Під дією цієї сили електрон набуде прискорення а= Ее/m в напрямі до нижньої позитивно зарядженої пластинки конденсатора і зміститься від горизонталі на відстань S=1/2at2=1/2*Ee/m*t2. Час проходження між пластинками конденсатора довжиною l знайдемо за формулою рівномірного руху t=l/V.Підставляючи це значення у формулу для S, дістанемо :

Ѕ*Ee/m*t2/V2. Звідси e/m*1/V2=2S/Et2.

Величини правої частини рівняння можна визначити з досліду, а в лівій частині залишаються дві невідомі : відношення e/m і швидкість V. Щоб визначити швидкість, Томсон застосував метод зрівноважування дії електричного поля дією відповідно підібраного магнітного поля. Тоді світна пляма на екрані залишиться нерухомою на осі приладу. Оскільки при цьому електрична і магнітні сили рівні, то Ee=BeV, звідки V=E/B.

Визначивши швидкість, можна за попередньою формулою знайти й відношення e/m. Дослід повторювали багато разів ; тепер

приймають, що e/m =1,76*1011 Кл/кг.

Томсону належить і перший метод визначення маси електрона. Для цього він спостерігав осадження в скляній посудині хмарки з дрібненьких водяних краплинок, які сконденсувалися з насиченої водяної пари на іонах водню. електрон струм магнітний катодний

Звідки ж беруться електрони в описаних дослідах з вакуумними трубками? Вони вибиваються з металу катода ударами іонів газу, невелика кількість якого повинна залишатися в трубці.

Електрони - складова частина кожного атома кожної речовини. Але чому ж тоді метали, наприклад, не заряджені ? Очевидно, до складу атома входять ще й позитивні заряди, що зрівноважують заряд електронів. Томсон зображав модель атома як суцільну кульку з рівномірно розподіленим в об'ємі позитивним зарядом усередині кульки, говорив він, містяться електрони, наче ізюм в пудингу. Пізніше в результаті тонких і складних експериментів учені прийшли до планетарної моделі атома, за якою атом являє собою, ніби планетарну систему в малому масштабі. Роль Сонця в атомній системі виконує позитивно заряджене ядро, навколо якого, як планети в Сонячній системі, обертаються електрони. Цю модель атома запропонував англійський фізик Резерфорд у 1911 р.

Найпростіший атом - атом водню має лише один електрон і відповідно до цього найпростіше ядро з одним позитивним, зарядом, що дорівнює заряду електрона. Ядро з таким зарядом назвали протоном. В електрично нейтральному атомі кількість електронів дорівнює кількості протонів.

3. Визначення заряду електрона

Обладнання, необхідні вимірювання, засоби вимірювань

Заряд електрона можна визначити за формулою

яку виведено із закону Фарадея для електролізу. Тут m -- маса речовини, що виділилася на електроді, М -- молярна маса речовини, п -- валентність цієї речовини, NA -- стала Авогадро, l -- сила струму, що пройшов через розчин електроліту, t -- час проходження струму. Щоб визначити масу міді, яка виділилася на катоді, його зважують до і після виконання досліду (відповідно т1 та т2). Тому т = т2 -- т1 і формула для визначення заряду електрона матиме оста-точний вигляд:

Для вимірювання сили струму використовують шкільний амперметр (шкала 0-2А; клас точності 2,5), Час вимірюють годинником (електронним чи з секундною стрілкою). Реостат у колі потрібний для регулювання сили струму.

Максимальні відносну і абсолютну похибки вимірювання заряду електрона визначають за формулами:

Висновок

Походження багатьох властивостей елементарних частинок і природа притаманних їм взаємодій значною мірою залишаються неясними. Можливо, знадобиться ще не одна перебудова всіх понять і набагато глибше розуміння взаємозв'язку властивостей мікрочастинок і геометричних властивостей простору-часу, перш ніж теорія елементарних частинок буде побудована.

Список використаної літератури

1. Смірнов С.А. Фізика. Посібник. - Харків, 2000.

2. Дорфман Я.Г. Всесвітня історія фізики з початку 19 століття до середини 20 століття. -М.,: 1979.

3. Зисман Г.А., Тодес О.М. Курс загальної фізики. -К .: Вид. Еделвейс, 1994.

4. Мякишев Г.Я. Елементарні частинки. -М .: Просвещение, 1977.

5, Савельєв І.В. Курс фізики. -М .: Наука, 1989.

Размещено на Allbest.ru