На основе установленных М. Фарадеем законов электролиза ирландский ученый Д. Стоней выдвинул гипотезу о том, что существует элементарный заряд внутри атома. И в 1891 г. этот заряд Стоней предложил назвать электроном. Величину заряда электрона часто обозначают e или .
Законы электролиза еще не являются доказательством существования электрона как элементарного электрического заряда. Так, существовало мнение, о том, что все одновалентные ионы могут иметь разные заряды, а их средняя величина равна заряду электрона. Для доказательства существования в природе элементарного заряда следовало провести измерение зарядов отдельных ионов, а не суммарное количество электричества. Кроме того, открытым оставался вопрос о том, что связан ли заряд с какой-либо частицей вещества. Существенный вклад в решении этих вопросов сделали Ж. Перрен и Дж. Томсон. Они исследовали законы движения частиц катодных лучей в электрическом и магнитном полях. Перрен показал, что катодные лучи являются потоком частиц, которые несут отрицательный заряд. Томсон установил, что все данные частицы имеют равные отношения заряда к массе:
Помимо этого Томсон показал, что для разных газов отношение частиц катодных лучей одинаково, и не зависит от материала, из которого изготавливался катод. Отсюда можно было сделать вывод о том, что частицы, которые входят в состав атомов разных элементов, одинаковы. Сам Томсон сделал вывод о том, что атомы являются делимыми. Из атома любого вещества можно вырвать частицы, имеющие отрицательный заряд и очень малую массу. Все данные частицы обладают одинаковой массой и одинаковым зарядом. Такие частицы назвали электронами.
Опыты Милликена и Иоффе
Американский ученый Р. Милликен экспериментально доказал то, что элементарный заряд существует. В своих опытах он измерял скорость движения капель масла в однородном электрическом поле, которое создавалось между двумя электрическими пластинами. Капля заряжалась при столкновении с ионом. Сравнивались скорости движения капли не имеющей заряда и этой же капли после столкновения с ионом (приобретшей заряд). Зная напряженность поля между пластинами, вычислялся заряд капли.
Опыты Милликена повторил А.Ф. Иоффе. Он использовал металлические пылинки вместо капель масла. Изменяя напряженность поля между пластинками, Иоффе добивался равенства силы тяжести и силы Кулона, пылинка при этом оставалась неподвижной. Пылинку освещали ультрафиолетом. Заряд ее при этом изменялся, для уравновешивания силы тяжести приходилось изменять напряженность поля. По полученным величинам напряженности ученый судил об отношении электрических зарядов пылинки.
В опытах Милликена и Иоффе было показано, что заряды пылинок и капель всегда изменялись скачком. Минимальное изменение заряда было равно:
Электрический заряд всякого заряженного тела равен целому числу и кратен заряду электрона. Сейчас существует мнение, что имеются элементарные частицы - кварки, которые обладают дробным зарядом ().
Таким, образом, заряд электрона считают равным:
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
| Задание | В плоском конденсаторе, расстояние, между пластинами которого равно d, неподвижна капля масла, масса ее m. Какое количество избыточных электронов находится на ней, если разность потенциалов между пластинами составляет U? |
| Решение | В данной задаче рассматривается аналог опыта Милликена. На каплю масла действует две силы, которые взаимно компенсируют друг друга. Это сила тяжести и сила Кулона (рис.1).
Так как поле внутри плоского конденсатора можно считать однородным, имеем:
где E - напряжённость электростатического поля в конденсаторе. Величину электростатической силы можно найти как:
Поскольку частица находится в равновесии и не движется, то по Второму закону Ньютона получаем:
Из формулы (1.3) выразим заряд частицы:
Зная величину заряда электрона (), число избыточных электронов (создающих заряд капли), найдем как:
|
| Ответ |
ПРИМЕР 2
| Задание | Какое количество электронов потеряла капля после облучения ультрафиолетом (см. Пример 1), если ускорение, с которым она стала двигаться вниз равно a?
|
| Решение | Второй закон Ньютона для этого случая запишем как:
Сила кулона изменилась, так как изменился заряд частицы после облучения:
В соответствии со вторым законом Ньютона имеем:
|
Итак, электрон – это элементарная частица, заряженная отрицательно. Электроны составляют материю, из которой состоит все сущее. Отметим также, что электрон является фермионом, что говорит о его полуцелом спине, а также имеет дуальную природу, ибо может быть как частицей материи, так и волной. Если рассматривается его свойство, как масса, то подразумевается первая его сущность.
Масса электрона имеет ту же природу, что любого другого макроскопического объекта, однако все меняется, когда скорости движения материальных частиц становятся близкими к скорости света. В этом случае в силу вступает релятивистская механика, являющая надмножеством классической механики и распространяющаяся на случаи движения тел с высокими скоростями.
Итак, в классической механике понятие «масса покоя» не существует, ибо считается, что масса тела не изменятся при его движении. Данное обстоятельство подтверждается также и опытными фактами. Однако данный факт является всего лишь приближением на случай малых скоростей. Под малыми скоростями здесь подразумеваются скорости гораздо меньшие по величине, чем скорость света. В ситуации же, когда скорость тела сравнима со скоростью света, масса любого тела изменяется. Электрон – не исключение. Более того, данная закономерность имеет достаточную значимость именно для микрочастиц. Это обосновано тем, что именно в микромире возможны такие высокие скорости, при которых изменения массы становятся заметны. Причем в масштабах микромира данный эффект происходит непрерывно.
Увеличение массы электрона
Итак, при движении частиц (электрона) с релятивистскими скоростями их масса изменяется. Причём, чем больше скорость частицы, тем больше и ее масса. При стремлении значения скорости движения частицы к скорости света масса ее стремится к бесконечности. В случае же, когда скорость частицы равна нулю, масса становится равной константе, которая и называется массой покоя, в том числе массой покоя электрона. Причина данного эффекта кроется в релятивистских свойствах частицы.
Дело в том, что масса частицы прямо пропорциональна ее энергии. Та же, в свою очередь, прямо пропорциональна сумме кинетической энергии частицы и ее энергии в покоящемся состоянии, которая и содержит в себе массу покоя. Таким образом, первый член в этой сумме приводит к тому, что масса движущейся частицы увеличивается (как следствие изменения энергии).
Численное значение массы покоя электрона
Массу покоя электрона и других элементарных частиц обычно измеряют в электронвольтах. Один электронвольт равен энергии, затрачиваемой элементарным зарядом на преодоление разности потенциалов в один вольт. В данных единицах масса покоя электрона равна 0,511 МэВ.
Электрон
Несмотря на то, что электрон является первой открытой элементарной частицей в физике (английским физиком Джозефом Томсоном в 1897 году), до сих пор природа электрона остаётся загадочной для учёных. Теория электрона считается не законченной, поскольку ей присущи внутренние логические противоречия и множество вопросов, на которые у официальной науки пока нет ответов.
Название данной элементарной частицы было предложено в 1891 году ирландским физиком Джорджем Стоуни (George Stoney; 1826 – 1911) в качестве «фундаментальной единицы измерения электроэнергии». Слово «электрон» происходит от греческого слова «electron», что означает «янтарь». (Как известно, янтарь ‒ это затвердевшая ископаемая смола. При трении янтарь приобретает электрический заряд и притягивает лёгкие тела. Это свойство было известно с давних времён разным народам. Например, судя по сохранившимся сведениям, в Древней Греции о свойствах янтаря знали ещё в 600 году до н.э.). Учёные условились между собой считать электрический заряд электрона отрицательным в соответствии с более ранним соглашением называть отрицательным заряд наэлектризованного янтаря.
Электрон является составной частью атома, одним из основных структурных элементов вещества. Электроны образуют электронные оболочки атомов всех известных на сегодняшний день химических элементов. Они участвуют почти во всех электрических явлениях, о которых ведают ныне учёные. Но что такое электричество на самом деле, официальная наука до сих пор не может объяснить, ограничиваясь общими фразами, что это, например, «совокупность явлений, обусловленных существованием, движением и взаимодействием заряженных тел или частиц носителей электрических зарядов». Известно, что электричество не является непрерывным потоком, а переносится порциями ‒ дискретно.
Практически все основные сведения об электроне, которыми наука пользуется до сих пор, были получены на рубеже конца XIX ‒ начала XX веков. В том числе это касается и представления о волновой природе электрона (достаточно вспомнить работы Николы Тесла и его исследование вопроса о генерировании и беспроводной передаче энергии на расстояние). Однако согласно официальной истории физики, оно было выдвинуто в 1924 году французским физиком-теоретиком, одним из основоположников квантовой механики Луи де Бройлем (Louis de Broglie; 1892 – 1987; выходец из известной во Франции аристократической семьи). А экспериментально подтверждено в 1927 году американскими учёными Клинтоном Дэвиссоном (Clinton Davisson; 1881–1958) и Лестером Джермером (Lester Germer; 1896 –1971) в эксперименте по дифракции электронов. Слово «дифракция» образовано от латинского слова «diffractus», что буквально означает «переломанный, разломанный, огибание препятствия волнами». Дифракция ‒ это явление распространения волны, например, луча света, при прохождении сквозь узкое отверстие или при попадании на край препятствия. Представление о волновой природе электрона послужило основой для разработки волновой механики австрийским физиком-теоретиком, одним из создателей квантовой механики Эрвином Шрёдингером (Erwin Schrödinger; 1887–1961) в 1926 году. С тех пор официальная наука ненамного продвинулась в изучении природы электрона.
В ДЕЙСТВИТЕЛЬНОСТИ ЭЛЕКТРОН состоит из 13 фантомных частичек По и имеет уникальное строение. Подробные знания об электроне здесь специально опущены, поскольку информация излагается публично и данные знания могут представлять опасность в случае, если они попадут в руки людей, желающих создать новый вид вооружения. Отметим лишь, что электрон имеет необычные свойства. То, что сегодня называют электричеством ‒ это на самом деле особое состояние септонного поля, в процессах которого электрон в большинстве случаев принимает участие наравне с другими его дополнительными «компонентами».
Интересные сведения, свидетельствующие об уникальности электрона, были изложены в книге «АллатРа»:
«Анастасия
: А как Наблюдатель может внести изменения своим наблюдением?
Ригден
: Чтобы был понятен ответ на этот вопрос, давай совершим небольшой экскурс в квантовую физику. Чем больше учёные изучают вопросы, которые ставит эта наука, тем больше приходят к выводу, что всё в мире очень тесно взаимосвязано и существует не локально. Те же элементарные частицы существуют связанно между собой. Согласно теории квантовой физики, если одновременно спровоцировать образование двух частиц, то они не только будут находиться в состоянии «суперпозиции», то есть одновременно во множестве мест. Но ещё и изменение состояния одной частицы приведёт к мгновенному изменению состояния другой частицы, на каком бы расстоянии от неё она не находилась, даже если это расстояние превышает пределы действия всех известных современному человечеству сил в природе.
Анастасия
: А в чём секрет такой мгновенной взаимосвязи?
Ригден
: Сейчас объясню. Рассмотрим, например, электрон. Он состоит из информационных кирпичиков (или как их именовали древние - «зёрнышек По»), которые задают ему основные характеристики, в том числе и определяют его внутренний потенциал. По современным представлениям электрон двигается вокруг ядра атома как бы по «стационарной орбите» (орбитали). Точнее, его движение уже сейчас представляют не в виде материальной точки с заданной траекторией, а в виде электронного облака (условного изображения электрона, «размазанного» по всему объёму атома), имеющего области сгущения и разряжения электрического заряда. Электронное облако, как таковое, не имеет резких границ. Под орбитой (орбиталью) имеют в виду не движение электрона по какой-то конкретной линии, а некую часть пространства, область вокруг ядра атома, где сохраняется наибольшая вероятность местонахождения электрона в атоме (атомная орбиталь) или в молекуле (молекулярная орбиталь). 
Так вот, электрон, как известно, в материальном мире может существовать в двух состояниях одновременно: частицы и волны . Он может проявляться сразу в разных местах, согласно той же квантовой физике. Уходя или точнее исчезая со своей атомной орбиты, электрон мгновенно перемещается, то есть здесь исчезает, а на другой орбите проявляется.
Но, что самое интересное в этом вопросе, так это то, о чём учёные пока ещё не знают. Рассмотрим, например, электрон атома водорода - элемента, который входит в состав воды, живых организмов, природных ископаемых и является одним из распространённых элементов в космосе. Электронное облако, расположенное вокруг ядра атома водорода, представляет собой форму шара. Это то, что может зафиксировать на современном этапе наука. Но учёные пока не знают, что электрон сам по себе закручен в спираль . Причём эта спираль (одна и та же) может быть закручена как в левую, так и правую сторону в зависимости от расположения на ней заряда. Вот именно благодаря такой спиралевидной форме и изменению места концентрации заряда этот электрон легко переходит из состояния частицы в волну и наоборот.
Приведу образный пример. Представь, что в твоих руках апельсин. С помощью ножа ты аккуратно снимаешь с него кожуру цельно, по кругу, как бы по спирали, двигаясь от одной его вершины, скажем условно, от точки А к другой - точке Б. Если такую кожуру отделить от апельсина, то в привычном сложенном виде она будет представлять собой форму шара, повторяя контуры апельсина. А если её растянуть, то она будет похожа на волнообразную верёвку. Так вот, оранжевая сторона кожуры апельсина будет представлять собой в нашем образном примере спираль электрона, где на поверхности в районе точки А находится внешний заряд, а в районе точки Б изнутри (на белой стороне кожуры) - внутренний заряд. Любое внешнее изменение в точке А (на оранжевой стороне кожуры) приведёт к такому же мгновенному внутреннему, но противоположному по силе и воздействию, изменению в точке, расположенной на белой стороне кожуры под вершиной Б. Как только спадает внешний заряд электрона, то под воздействием внутреннего потенциала спираль растягивается и электрон переходит в состояние волны. Когда же снова появляется внешний заряд, который образуется вследствие взаимодействия волны с материей, спираль сжимается, и электрон опять переходит в состояние частички. В состоянии частички электрон имеет внешний отрицательный заряд и левостороннюю спираль, а в состоянии волны правостороннюю спираль и внешний положительный заряд. И всё это преобразование происходит благодаря эзоосмосу. 
Наблюдатель с позиции трёхмерного измерения может при создании определённых технических условий видеть электрон как частицу. Но Наблюдатель с позиции высших измерений, который будет видеть наш материальный мир в виде энергий, сможет наблюдать другую картину строения того же электрона. В частности, что информационные кирпичики, образующие этот электрон, будут проявлять исключительно свойства энергетической волны (растянутой спирали). Причём эта волна будет бесконечна в пространстве. Проще говоря, положение самого электрона в общей системе реальности таково, что он будет находиться везде в материальном мире.
Анастасия : Можно сказать, что он будет существовать, вне зависимости от того, видим мы его как Наблюдатели трёхмерного мира или нет?
Ригден : Да. Для того чтобы это понять, давай рассмотрим ещё один пример - с зеркалом. Допустим, несколько фундаментальных информационных кирпичиков образуют структуру, которая представляет собой локальную точку, некий объект. Поместим его посреди комнаты, в которой под определённым углом во множестве расставлены зеркала таким образом, что он отражается в каждом из них. Итак, объект находится посредине комнаты, отражается в каждом зеркале, к тому же мы видим его, следовательно, информация о нём есть и в нашем сознании. Одним словом, информация об этом объекте одновременно присутствует в нескольких местах. И если мы уберём одно из зеркал, то в том месте мы не будем наблюдать данный объект. Но когда вернём зеркало, он вновь появится. Значит в принципе, информация о нём не исчезала. Просто при определённых условиях проявления информации мы видим объект, изменились условия - мы его не видим. Однако объективно данный объект продолжает существовать в том месте в информационном плане. Отражение может иметь непрерывный поток, значит, этот объект есть в каждой точке данной комнаты (и, кстати, не только комнаты, но и пространства, выходящего за переделы комнаты), вне зависимости от того, видим мы его или нет.
Согласно квантовой физике, пребывание электрона в состоянии частицы зависит от самого акта измерения или наблюдения. Другими словами неизмеряемый и ненаблюдаемый электрон ведёт себя не как частица, а как волна. В этом случае для него существует целое поле вероятностей, так как он находится здесь и сейчас во множестве мест одновременно, то есть в состоянии суперпозиции. При этом, несмотря на то, что электрон занимает множественное положение, это будет один и тот же электрон и одна и та же волна. Суперпозиция - это возможность одновременного нахождения во всех возможных альтернативных состояниях, пока не сделан выбор, пока Наблюдатель не совершил измерение (вычисление данного объекта). Как только Наблюдатель фокусирует внимание на поведении электрона, как он, в смысле электрон, сразу же схлопывается в частицу, то есть превращается из волны в материальный объект, положение которого можно локализовать. Словом, после измерения, так сказать, выбора Наблюдателя, один объект будет находиться только в одном месте.
Анастасия : О, это интересная информация! Выводы квантовой физики, оказывается, ценны для тех, кто занимается самосовершенствованием. Это в некотором роде объясняет причину, почему у человека не получается медитация. Ведь что способствует, так сказать, «материализации» процесса медитации, то есть перехода из волнового в материальное состояние, в котором энергия вновь приобретает свойства материи? Именно наблюдение и контроль от Животного начала. Другими словами, не получается медитация тогда, когда включаются мыслительные процессы, свойственные привычному, ежедневному состоянию сознания. При этом мозг всё время пытается что-то идентифицировать и локализовать объект наблюдения. Такая ситуация развивается тогда, когда во время медитации Личность недостаточно погружается в изменённое состояние сознания или же утрачивает контроль за этим состоянием. Это позволяет Животному началу вмешаться в процесс наблюдения, вследствие чего рождаются ассоциативные образы и утрачивается Истина. Волна переходит в материю. Но как только ты «отключаешь мозг» с его мыслительными процессами и полноценно включаешься в медитацию, благодаря проявлению своих глубоких чувств, то происходит расширение сознания и наблюдаемая от Духовного начала материя превращается в волну. Ты сливаешься с настоящей реальностью мира, становишься единым целым с ним, одновременно ощущаешь всё его разнообразие, словно тебя много и ты везде. Тогда и происходит настоящая медитация, как процесс познания Истины.
Ригден : Совершенно верно. Мир Животного начала - это мир главенствования материи и её законов. Мир Бога - это мир совершенных энергий. Когда ты находишься в медитации, в изменённом состоянии сознания, то становишься частью процесса, частью божественного проявления здесь. Как только в тебе включается Наблюдатель от Животного начала, то тебе кажется, что устанавливается факт твоего контроля над материей. На самом деле устанавливается факт контроля над тобой со стороны материи (Животного Разума). В результате ты становишься всего лишь более проявленным материальным объектом, по сути, превращаешься в корпускулярный объект общей материи (корпускула, от латинского corpusculum - «тельце», «мельчайшая частица материи») и подчиняешься её законам. Если ты переключаешься в состояние волны, ты становишься частью божественного проявления в этом мире, то есть Наблюдателем от Духовного начала. Почему и говорится: чего в тебе больше, тем ты и будешь.
В состоянии медитации исчезает обычное восприятие. У опытного медитирующего, в частности, если рассмотреть его состояние в духовной практике «Цветок лотоса», действительно сознание значительно расширяется, выходит за границы привычного мира. Человек ощущает, что он одновременно находится везде. Можно сказать, что суперпозиция в квантовой физике, приобретение состояния волны, это всё равно, что в медитации приобретение состояния выхода в высшие измерения, где материя уже отсутствует. Суперпозиция в состоянии медитации, это когда ты «видишь», в смысле ощущаешь глубинными чувствами, весь мир и его разнообразные проявления. Но как только Наблюдатель концентрируется на каком-то объекте, его сознание сужается и ограничивается объектом наблюдения. То есть, как только ты делаешь выбор и сосредотачиваешься на конкретных деталях, волна преобразуется в материю. Ведь когда ты концентрируешься на деталях, то объёмное восприятие исчезает, и остаются только детали. Мысли от Животного начала - это своеобразный инструмент, сила для материализации объектов, а чувства от Духовного начала - это сила для расширения сознания, выхода в высшие измерения.
Анастасия : Да, насколько сложен этот мир и как очевидны в нём могут быть простые вещи.
Ригден : Так вот, касательно квантовой физики… С одной стороны, это понятие о Наблюдателе расширило границы познания учёных, с другой - завело в тупик. Ведь позиция Супернаблюдателя доказывает, что существует некая огромная сила, которая способна оказывать влияние извне на Вселенную, на все её объекты и все процессы, происходящие в ней.
Анастасия : Фактически это ещё один путь научного доказательства существования Бога?
Ригден : Да. Человек имеет Душу, как частицу божественной силы. Чем больше он преобразовывает свой внутренний мир, чем больше его Личность сливается с Душой, раскрываясь перед Богом, тем он становится духовно сильнее и получает возможность влияния на материальный мир из высших измерений. А чем больше таких людей, тем значительнее и масштабнее это влияние. Супернаблюдатель - это Бог, который может влиять на всё. А человек, как Наблюдатель от Духовного начала, - это Наблюдатель, который может вмешиваться в процессы мира и менять их на микроуровне. Людям, конечно, доступны определённые манипуляции с материей и с позиции Наблюдателя от Животного начала. Но человек получает настоящую силу влияния только тогда, когда включается его Наблюдатель от Духовного начала».
В опыте по измерению массы электрона с помощью масс-спектрографа на фотопластинке обнаруживается только одна полоска. Так как заряд каждого электрона равен одному элементарному заряду, мы приходим к заключению, что все электроны обладают одной и той же массой.
Масса, однако, оказывается непостоянной. Она растет при увеличении разности потенциалов , ускоряющей электроны в масс-спектрографе (рис. 351), Так как кинетическая энергия электрона прямо пропорциональна ускоряющей разности потенциалов , то отсюда следует, что масса электрона растет с его кинетической энергией. Опыты приводят к следующей зависимости массы от энергии:
, (199.1)
где - масса
электрона, обладающего кинетической энергией , - постоянная величина, - скорость света
в вакууме 
.
Из формулы (199.1) вытекает, что масса покоящегося электрона (т. е. электрона с
кинетической энергией ) равна . Величина получила поэтому
название массы покоя электрона.
Измерения с различными источниками электронов (газовый разряд, термоэлектронная эмиссия, фотоэлектронная эмиссия и др.) приводят к совпадающим значениям массы покоя электрона. Масса эта оказывается крайне малой:
Таким образом, электрон (покоящийся или медленно движущийся) почти в две тысячи раз легче атома легчайшего вещества - водорода.
Величина
в
формуле (199.1) представляет собой добавочную массу электрона, обусловленную
его движением. Пока эта добавка мала, можно при вычислении кинетической энергии
приближенно заменить на , и положить . Тогда 
отсюда видно,
что наше предположение о малости добавочной массы по сравнению с массой покоя равносильно
условию, что скорость электрона много меньше скорости света . Напротив, когда скорость
электрона приближается к скорости света, добавочная масса становится большой.
Альберт Эйнштейн (1879-1955) в теории относительности (1905 г.) теоретически обосновал соотношение (199.1). Он доказал, что оно применимо не только к электронам, но и к любым частицам или телам без исключения, причем под нужно понимать массу покоя рассматриваемой частицы или тела. Выводы Эйнштейна были проверены в дальнейшем в разнообразных опытах и полностью подтвердились. Теоретическая формула Эйнштейна, выражающая зависимость массы от скорости, имеет вид
(199.2)
Таким образом, масса любого тела возрастает при увеличении его кинетической энергии или скорости. Однако, как и для электрона, добавочная масса, обусловленная движением, заметна только тогда, когда скорость движения приближается к скорости света. Сравнивая выражения (199.1) и (199.2), получим формулу для кинетической энергии движущегося тела, учитывающую зависимость массы от скорости:
(199.3)
В релятивистской механике, (т. е. механике, основанной на теории относительности) так же как и в классической, импульс тела определяется как произведение его массы на скорость. Однако теперь масса сама зависит от скорости (см. (196.2)}, и релятивистское выражение для импульса имеет вид
(199.4)
В механике Ньютона масса тела считается величиной постоянной, не зависящей от его движения. Это означает, что ньютонова механика (точнее, 2-й закон Ньютона) применима только к движениям тел со скоростями очень малыми по сравнению со скоростью света. Скорость света колоссальна; при движении земных или небесных тел всегда выполняется условие , и масса тела практически неотличима от его массы покоя. Выражения для кинетической энергии и импульса (199.3) и (199.4) при переходят в соответствующие формулы для классической механики (см. упражнение 11 в конце главы).
Ввиду этого при рассмотрении движения таких тел можно и нужно пользоваться механикой Ньютона.
Иначе обстоит дело в мире мельчайших частиц вещества - электронов, атомов. Здесь нередко приходится сталкиваться с быстрыми движениями, когда скорость частицы уже не мала по сравнению со скоростью света. В этих случаях механика Ньютона неприменима и нужно пользоваться более точной, но и более сложной механикой Эйнштейна; зависимость массы частицы от ее скорости (энергии) - один из важных выводов этой новой механики.
Другим характерным выводом релятивистской механики Эйнштейна является заключение о невозможности движения тел со скоростью, большей скорости света в вакууме. Скорость света является предельной скоростью движения тел.
Существование предельной скорости движения тел можно рассматривать как следствие возрастания массы со скоростью: чем больше скорость, тем тяжелее тело и тем труднее дальнейшее увеличение скорости (так как ускорение уменьшается с увеличением массы).
Известно, что электроны имеют отрицательный заряд. Но каким образом можно убедиться в том, что масса электрона и его заряд постоянны для всех этих частиц? Проверить это можно, только поймав его на лету. Остановившись, он затеряется среди молекул и атомов, из которых состоит лабораторное оборудование. Процесс познания микромира и его частиц проделал долгий путь: от первых примитивных экспериментов до новейших разработок в области экспериментальной атомной физики.
Первые сведения об электронах
Сто пятьдесят лет назад электроны известны не были. Первым звоночком, указывающим на существование «кирпичиков» электричества, были опыты по электролизу. Во всех случаях каждая заряженная частичка вещества несла стандартный электрический заряд, имевший одну и ту же величину. В некоторых случаях количество заряда удваивалось или утраивалась, но всегда оставалось кратным одной минимальной величине заряда.
Эксперименты Дж. Томпсона
В лаборатории Кавендиша Дж. Томсон провел эксперимент, реально доказывающий существование частиц электричества. Для этого ученый исследовал излучение, исходящее из катодных трубок. В эксперименте лучи отталкивались от отрицательно заряженной пластины и притягивались к положительно заряженной. Гипотеза о постоянном присутствии в электрическом поле неких электрических частиц подтвердилась. Скорость движения их была сопоставима со скоростью света. Электрический заряд в пересчете на массу частицы оказался неимоверно большим. Из своих наблюдений Томпсон вывел несколько заключений, которые впоследствии были подтверждены другими исследованиями.
Выводы Томпсона
- Атомы могут быть разбиты при бомбардировке более быстрыми частицами. При этом из середины атомов вырываются отрицательно заряженные корпускулы.
- Все заряженные частицы имеют одинаковую массу и заряд вне зависимости от вещества, из которого они были получены.
- Масса этих частиц гораздо меньше массы самого легкого атома.
- Каждая частица вещества несет в себе наименьшую возможную долю электрического заряда, меньше которого в природе не существует. Любое заряженное тело несет в себе целое количество электронов.
Подробные опыты дали возможность произвести расчеты параметров таинственных микрочастиц. В результате было выяснено, что открытые заряженные корпускулы являются неделимыми атомами электричества. Впоследствии им было дано название электронов. Оно пришло еще из Древней Греции и оказалось уместным для описания новооткрытой частицы.
Прямое измерение скорости электрона
Поскольку нет никаких возможностей увидеть электрон, опыты, необходимые для измерения базовых величин этой элементарной частицы, производятся с помощью полей - электромагнитного и гравитационного. Если первое воздействует только на заряд электрона, то с помощью тонких опытов, учитывая гравитационное воздействие, можно было приблизительно рассчитать массу электрона.
Электронная пушка
Самые первые измерения масс и зарядов электронов были проведены с помощью электронной пушки. Глубокий вакуум в теле пушки позволяет электронам нестись узким пучком от одного катода к другому.
Электроны заставляют дважды проходить через узкие отверстия с постоянной скоростью v . Происходит процесс, подобный тому, как струя из садового шланга попадает в дырку в заборе. Порции электронов летят вдоль трубки с постоянной скоростью. Экспериментально доказано, что если напряжение, приложенное к электронной пушке, составляет 100 В, то скорость электрона будет рассчитана как 6 млн м/с.
Экспериментальные выводы
Прямое измерение скорости электрона показывает, что вне зависимости от того, из каких материалов сделана пушка и какова разность потенциалов, выполняется соотношение e/m = const.
Этот вывод был сделан уже в начале XX столетия. Однородные пучки заряженных частиц тогда еще создавать не умели, для опытов использовались другие приборы, но результат оставался тем же. Эксперимент позволил сделать несколько выводов. Отношение заряда электрона к его массе имеет одну и ту же величину для электронов. Это дает возможность сделать заключение об универсальности электрона как составной части любой материи в нашем мире. При очень больших скоростях величина e/m оказывается меньше ожидаемой. Этот парадокс вполне объясним тем фактом, что при высоких скоростях, сопоставимых со скоростью света, масса частицы увеличивается. Граничные условия преобразований Лоренца говорят о том, что при скорости тела, равной скорости света, масса этого тела становится бесконечной. Заметное увеличение массы электрона происходит в полном согласии с теорией относительности.
Электрон и его масса покоя
Парадоксальное заключение о том, что масса электрона непостоянна, влечет за собой несколько интересных выводов. В обычном состоянии масса покоя электрона не меняется. Ее можно измерить на основании различных экспериментов. В настоящее время масса электрона неоднократно измерена и составляет 9,10938291(40)·10⁻³¹ кг. Электроны с такой массой вступают в химические реакции, формируют движение электрического тока, улавливаются точнейшими приборами, регистрирующими ядерные реакции. Заметное увеличение этого значения возможно только при скоростях, близких к скорости света.
Электроны в кристаллах
Физика твердого тела - это наука, ведущая наблюдения за поведением заряженных частиц в кристаллах. Итогом многочисленных экспериментов стало создание особой величины, характеризующей поведение электрона в силовых полях кристаллических веществ. Это так называемая эффективная масса электрона. Ее величина вычисляется исходя из того, что движение электрона в кристалле подчиняется дополнительным силам, источником которых является сама кристаллическая решетка. Такое движение можно описать как стандартное для свободного электрона, но при расчете импульса и энергии такой частицы следует принимать во внимание не массу покоя электрона, а эффективную, значение которой будет другим.
Импульс электрона в кристалле
Состояние любой свободной частицы может быть охарактеризовано величиной ее импульса. Поскольку значение импульса уже определено, то, согласно принципу неопределенности, координаты частицы словно размыты по всему кристаллу. Вероятность встретить электрон в любой точке кристаллической решетки практически одинакова. Импульс электрона характеризует его состояние в любой координате энергетического поля. Расчеты показывают, что зависимость энергии электрона от его импульса такая же, как и свободной частицы, но при этом масса электрона может принимать значение, отличающееся от обычного. В целом энергия электрона, выраженная через импульс, будет иметь вид E(p)=p 2 /2m*. В данном случае m* - эффективная масса электрона. Практическое применение эффективной массы электрона чрезвычайно важно при разработке и изучении новых полупроводниковых материалов, применяемых в электронике и микротехнике.
Масса электрона, как и любой другой квазичастицы, не может быть охарактеризована стандартными характеристиками, пригодными в нашей Вселенной. Любая характеристика микрочастицы способна удивлять и подвергать сомнению все наши представления об окружающем мире.