Как найти чему равен заряд электрона

Этимология и история открытия

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 предложен Дж. Дж. Стоуни ( англ. ) в 1894 (сама единица была введена им в 1874). Открытие электрона как частицы принадлежит Э. Вихерту и Дж. Дж. Томсону, который в 1897 установил, что отношение заряда к массе для катодных лучей не зависит от материала источника.

Открытие волновых свойств. Согласно гипотезе де Бройля (1924), электрон (как и все другие материальные микрообъекты) обладает не только корпускулярными, но и волновыми свойствами.. В соответствии с этим электроны, подобно свету, могут испытывать интерференцию и дифракцию. Волновые свойства электронов были экспериментально обнаружены в 1927 американскими физиками К. Дэвиссоном и Л. Джермером (Опыт Дэвиссона — Джермера) и независимо английским физиком Дж. П. Томсоном.

Атомная теория

К 1914 г. на основе физических экспериментов, проведёнными Эрнестом Рутерфордом, Генри Мозли, Джеймсом Франком и Густавом Герцем была в основном установлена структура атома. Атом состоит из плотного малого по размерам положительно заряженного ядра, и окружающих его в виде облака электронов. В 1913 г. датский физик Нильс Бор постулировал, что электроны в атоме находятся в квантованных энергетических состояниях, энергии которых зависят от момента импульса электронов на орбитах возле ядра. Изменение энергетических состояний электрона и переход из одного состояния в другое сопровождается поглощением или излучением фотонов соответствующей энергии и частоты. На основе такого подхода Бор весьма точно объяснил спектральные линии водорода, возникающие при пропускании импульсов электрического тока или при нагревании водородного газа. [14] Однако модель атома Бора не позволяет найти относительные интенсивности спектральных линий и становится малопригодной при объяснении спектров более сложных атомов.

Химические связи между атомами были объяснены в 1916 г. Льюисом (GilbertNewtonLewis) в том предположении, что ковалентная связь возникает в результате обмена двумя электронами между атомами.  В 1923 г. WalterHeitler и FritzLondon дали обоснование образованию электронных пар и химической связи с помощью квантовой механики. Несколько ранее, в 1919 г. американский химик Ирвин Ленгмюр (IrvingLangmuir) развил статическую модель атома Льюиса и предположил, что электроны распределяются концентрическими сферами одинаковой толщины.  Атомные электронные оболочки в свою очередь разделены на ячейки, содержащие по два электрона. В этой модели Ленгмюру удалось объяснить качественно химические свойства всех атомов в периодической таблице. Как известно, свойства химических элементов повторяются в каждой последующей строке таблицы Менделеева согласно периодическому закону.

В 1924 г. австрийский физик Вольфганг Паули нашёл, что оболочечная структура атома может быть описана набором из четырёх параметров, определяющих квантовое состояние, причём у каждого электрона согласно принципу Паули своё собственное квантовое состояние. Один из параметров, имеющих два возможных значения, был выражен Дж. Уленбеком и С. Гаудсмитом через собственный момент импульса или спин электрона.

С помощью спина стало возможным объяснить расщепление спектральных линий и их тонкую структуру, наблюдаемую в спектрографах высокого разрешения.

Квантовая механика

В своей диссертации 1924 г. Recherchessurlathéoriedesquanta, французский физик Луи де Бройль высказал гипотезу о том, что материальные частицы имеют двойственную природу, обнаруживая свойства и частицы и волны одновременно.Свет также имеет дуальную природу, проявляясь как волна, а также и в виде частиц – фотонов. Волны, связанные с движением частиц, носят название волны де Бройля. Длина волны де Бройля обнаруживается в экспериментах с электронами и другими частицами, с размерами вплоть до атомов. Можно считать, что частица проявляет свои корпускулярные свойства, пока её положение в пространстве определено в каждый момент времени, видна траектория движения и её изменение под действием сил. Волновые свойства света хорошо видны при интерференции света на параллельных щелях. В 1927 г. интерференционный эффект на пучке электронов обнаружил английский физик Георг Томсон (GeorgePagetThomson) с помощью тонкой металлической плёнки. В это же время американские физики Клинтон Дэвиссон (ClintonDavisson) и ЛестерДжермер (LesterGermer) нашли волновые свойства электронов, используя кристалл никеля.

Успех гипотезы де Бройля привёл в 1926 г. к публикации Эрвином Шрёдингером его знаменитого уравнения, описывающего распространение электронных волн. Волновое уравнение определяет не кинематическое движение центра электрона как частицы, а предсказывает вероятность его нахождения в каждой точке пространства в заданный момент времени. Такой подход к описанию явлений получил название квантовая механика и был успешно применён при вычислении энергетических состояний электрона в атоме водорода. В 1927 г. Паули ввёл в квантовую теорию спин, что с учётом взаимодействия электронов друг с другом дало возможность объяснить и конфигурации многоэлектронных атомов. Здесь однако возникает трудность в связи с существенным усложнением уравнений для волновой функции, так что их приходится решать численно либо получать упрощенные выражения, не всегда дающие желательную точность. В 1928 г. на основе работ Паули английский физик Поль Дирак сформулировал уравнение Дирака, описывающее релятивистское движение электрона.  С целью разрешить некоторые проблемы с его релятивистским уравнением, в 1930 г. Дирак предложил модель вакуума с бесконечным множеством частиц, имеющих отрицательную энергию, которая получила название море Дирака. Это привело его к предсказанию существования позитрона, являющегося античастицей по отношению к электрону.  Позитрон был открыт в 1932 г. Карлом Андерсеном (Carl D. Anderson). Он предложил называть отрицательно заряженные электроны негатронами, а положительно заряженные электроны позитронами. Иногда название ‘негатрон’ используется, в том числе и в виде ‘негатон’.

Первое экспериментальное отклонение от теории Дирака было обнаружено в 1947 г. в опыте Лэмба (WillisEugeneLamb) и Ризерфорда (RobertRetherford), который показал так называемый лэмбовский сдвиг между различными квантовыми состояниями электрона с одной и той же энергией в атоме водорода. Одновременно с этим PolykarpKusch, работавший с Henry M. Foley, открыл, что магнитный момент электрона несколько превышает значение, вытекающее из теории Дирака. Позднее эта малая добавка была названа аномальным магнитным дипольным моментом электрона. Для её объяснения была развита соответствующая версия квантовой электродинамики, авторами которой стали Томонага, Швингер и Фейнман.

Ускорители частиц

Развитие ускорителей частиц началось в первой половине 20 века и привело физиков к значительному углублению знаний о субатомных частицах. Первая успешная попытка ускорения электронов с помощью магнитного поля была сделана в 1942 г. Дональдом Керстом (DonaldKerst). Его бетатрон достиг энергии электронов 2,3 МэВ (миллион электронвольт), последующие подобные ускорители достигли энергии 300 МэВ. В 1947 на синхротроне фирмы Дженерал Электрик было открыто синхротронное излучение с энергией 70 МэВ. Такое излучение возникает при ускорении электронов, движущихся почти со скоростью света в магнитном поле.

Первый высокоэнергичный коллайдер с энергией пучка 1,5 ГэВ под названием ADONE начал функционировать в 1968 г. Это устройство ускоряло электроны и позитроны во встречных пучках, что существенно увеличивало эффективную энергию столкновений частиц по сравнению с одним пучком и неподвижной мишенью. Большой электронно-позитронный коллайдер в CERN во время работы с 1989 по 2000 гг. достиг энергии столкновений порядка 209 ГэВ, подтвердив многие предсказания стандартной модели физики элементарных частиц.

Структура

Но из чего состоит электрон? На данный момент современная наука не может дать ответ на этот вопрос. До недавнего времени он считался неделимой фундаментальной частицей, сейчас же ученые склоняются к тому, что он состоит из еще более мелких структур.

Удельный заряд электрона также считался элементарным, но теперь открыты кварки, имеющие дробный заряд. Существует несколько теорий относительно того, из чего состоит электрон.

Сегодня можно увидеть статьи, в которых заявляется, что ученым удалось разделить электрон. Однако это верно лишь отчасти.

Свойства электрона

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

Масса электрона

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

Заряд электрона

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

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

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

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

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

Энергия покоя электрона

Энергия электрона рассчитывается из эквивалентности массы и энергии. Вы знаете это как формулу из теории относительности E=mc2. E означает энергию, m — массу, а c — скорость света. Как было уже сказано выше в этой статье: «из-за эквивалентности массы и энергии в соответствии с принципом относительности это приводит к энергии покоя 0,511 МэВ (мегаэлектронвольт)».

В формуле это можно рассчитать следующим образом: E = mec2 = 9,109 • 10-31 • (3 • 108 )2 = 8,2 • 10-14 Дж = 0,511 • 106 эВ ≈ 0,511 МэВ

Делимость электрического заряда

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

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

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

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

Электрон как квазичастица

Если электрон находится в периодическом потенциале, его движение рассматривается как движение квазичастицы. Его состояния описываются квазиволновым вектором. Основной динамической характеристикой в случае квадратичного закона дисперсии является эффективная масса, которая может значительно отличаться от массы свободного электрона и в общем случае является тензором.

Электрон и Вселенная

Известно [8] , что из каждых 100 нуклонов во Вселенной, 87 являются протонами и 13 — нейтронами (последние в основном входят в состав ядер гелия). Для обеспечения общей нейтральности вещества число протонов и электронов должно быть одинаково. Плотность барионной (наблюдаемой оптическими методами) массы, которая состоит в основном из нуклонов, достаточно хорошо известна (один нуклон на 0,4 кубического метра) [9] . С учётом радиуса наблюдаемой Вселенной (13,7 млрд световых лет) можно подсчитать, что число электронов в этом объёме составляет ~1080, что сопоставимо с большими числами Дирака.

Использование

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 является одной из основ современной цивилизации и используется практически повсеместно в промышленности, связи, информатике, электронике, в быту. Скорость дрейфа электронов в проводниках очень 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 (кинескопами). Электронный микроскоп также использует способность электронных пучков подчиняться законам электронной оптики. 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 (ЭЛТ) в телевизорах и мониторах.

Модели электрона

Согласно экспериментам, в электронном веществе не видны какие-то заметные компоненты, в силу чего субструктура вещества электрона в настоящее время не обнаруживается.

Электрон стандартной теории

Массовое возникновение электронов как частиц и необходимых составляющих материи предполагается одним из результатов Большого взрыва, породившего Вселенную. Кроме этого, исходя из гипотезы о возникновении одних элементарных частиц только из других элементарных частиц в рамках теории атомизма, электрон рождается в некоторых реакциях с частицами. В квантовой механике электрон часто рассматривается почти как точечная частица, обладающая зарядом, собственным моментом импульса или спином, а также спиновым магнитным моментом. Формально этого оказывается достаточным для описания большинства явлений с электронами. Однако имеются вопросы, для ответа на которые необходимо знать внутреннее устройство электрона. Например, нуклоны считаются состоящими из кварков, обеспечивающими заряд и магнитный момент протона и магнитный момент нейтрона. Но для лептонов, включая электроны, идея кварков применена быть не может, и причина заряда электрона, по модулю строго равного заряду протона, лежит тогда в чём-то другом. Стандартная ссылка на «элементарность» электронов и кварков не может быть принята во внимание, поскольку лишь затушёвывает проблему. Кроме этого, до сих пор в квантовой механике понятие «размер электрона» не может быть сформулировано строго и непротиворечиво.

Субстанциональная модель

Субстанциональная модель электрона описывает происхождение и возникновение электрона, его различные свойства на основе бесконечной вложенности материи, теории подобия уровней материи, SPФ-симметрии, сильной гравитации, а также концепции динамического спина.

Для объяснения происхождения электронов используется не гипотеза Большого взрыва, а идея единообразной эволюции вещества и квантов поля в космосе на всех масштабных уровнях материи. При этом электроны оказываются необходимым следствием в эволюции нуклонов (адронов), всегда возникая в их присутствии. Отсюда вытекает равенство зарядов протона и электрона по модулю и становятся понятными реакции с возникновением электронов. Сравнение притяжения от сильной гравитации и электрической силы отталкивания от заряда электрона показывает, что электрон не может быть стабильной частицей с постоянным радиусом из-за недостаточности сил собственного притяжения. Это означает, что в атоме электрон может быть только осесимметричной фигурой в виде облака. Устойчивость электрона в атоме обеспечивается сильной гравитацией от ядра, электрическими силами от ядра и от собственного заряда электрона, а также центростремительной силой за счёт вращения. Из эволюции нуклонно-электронного вещества следует, что вещество электрона должно быть заряжено и замагниченно, при этом вещество электрона отличается от вещества нуклона так же, как вещество планет от вещества нейтронных звёзд. Последнее обеспечивает наблюдаемую в экспериментах бесструктурность электрона, так как его вещество достаточно однородно и обладает очень малой плотностью по отношению к плотности нуклонов. Отражением такой структуры вещества электрона являются результаты дифракционных опытов (интерференция электрона самим с собой),  и проявление волновых свойств (см. длина волны де Бройля).

Субстанциональная модель описывает возникновение многих свойств электронов. Например, принцип Паули объясняется как следствие электромагнитной индукции в соседних электронных облаках – при сближении двух электронных дисков их вещество начинает вращаться противоположно для того, чтобы удовлетворить правилу Ленца. У двух спаренных электронных облаков суммарный момент импульса и спин равны нулю, это относится и к заполненным оболочкам атомов, в которых число электронов чётно. Квантованные стационарные состояния атома, в которых электрон движется по стационарным орбитам и не излучает энергию, могут быть поняты на основе доказанной Сергеем Федосиным теоремы о равенстве потока кинетической энергии вещества и потоков гравитационной и электромагнитной энергии в веществе электрона в данных состояниях. Представление электронов в атоме гелия в виде двух заряженных дисков позволяет сделать самосогласованный расчёт конфигурации этих дисков и их движения. В частности, для значения радиуса внутреннего края электронного диска получается , радиус внешнего края диска , а высота диска менее , где
есть Боровский радиус. Анализ сил, действующих в веществе электрона при его стационарном вращении вокруг ядра, приводит к закону сохранения энергии и импульса вещества, электромагнитного поля и поля сильной гравитации.

Вместо спина как неотъемлемого внутреннего свойства электрона вводится понятие о динамическом спине, возникающем лишь в моменты перехода электрона в атоме из одного стационарного состояния в другое. При этом центр электронного облака не только не совпадает с ядром атома, но и вращается вокруг него. Такое вращение приводит к излучению электромагнитного кванта от ускоренного движения заряда электрона, а также к возникновению спинового магнитного момента. Появление спиновых магнитных моментов у нескольких возбуждённых в атоме электронов и их взаимодействие между собой и с ядром даёт магнитные поправки к уровням энергии атома, наблюдаемые как тонкая структура спектров и их мультиплетность. Поскольку динамический спин в основном состоянии, а также в s-состояниях отсутствует, то магнитный момент атомов в этих состояниях выводится через орбитальный магнитный момент электронных дисков, а не через спин. Это позволяет разрешить один из парадоксов квантовой механике, по которому в s-состояниях нет орбитального момента и присутствует только спин (как в отсутствие орбитального движения объяснить устойчивость электрона при наличии постоянной силы притяжения к ядру?). С помощью динамического спина новое объяснение получают так называемый лэмбовский сдвиг и магнитомеханические явления, включая эффект Барнетта (появление намагниченности при вращении образца) и опыт Эйнштейна – де Хааза (вращение ферромагнитных образцов в магнитном поле).

Наблюдение

Требуется дистанционное наблюдение электронов обнаружение их излучаемой энергии. Например, в высокоэнергетических средах, таких как корона звезды, свободные электроны образуют плазму, которая излучает энергию за счет тормозного излучения. Электронный газ может подвергаться плазменным колебаниям, которые представляют собой волны, вызванные синхронизированными изменениями плотности электронов, и они производят выбросы энергии, которые можно обнаружить с помощью радиотелескопов.

частота фотона пропорционально его энергии. Когда связанный электрон переходит между различными энергетическими уровнями атома, он поглощает или испускает фотоны с характерными частотами. Например, когда атомы облучаются источником с широким спектром, отчетливые темные линии появляются в спектре прошедшего излучения в местах, где соответствующая частота поглощается электронами атома. Каждый элемент или молекула отображает характерный набор спектральных линий, такой как спектральная серия водорода. При обнаружении спектроскопические измерения силы и ширины этих линий позволяют определить состав и физические свойства вещества.

В лабораторных условиях можно наблюдать взаимодействия отдельных электронов. с помощью детекторов частиц , которые позволяют измерять определенные свойства, такие как энергия, спин и заряд. Разработка ловушки Пола и ловушки Пеннинга позволяет удерживать заряженные частицы в небольшой области в течение длительного времени. Это позволяет точно измерить свойства частиц. Например, в одном случае ловушка Пеннинга использовалась для удержания одного электрона в течение 10 месяцев. Магнитный момент электрона был измерен с точностью до одиннадцати цифр, что в 1980 году было большей точностью, чем для любой другой физической постоянной.

Первые видеоизображения распределения энергии электрона были захвачены с помощью группа из Лундского университета в Швеции, февраль 2008 г. Ученые использовали чрезвычайно короткие вспышки света, называемые аттосекундными импульсами, что позволило впервые наблюдать движение электрона.

Распределение электронов в твердых материалах может быть визуализировано с помощью фотоэмиссионной спектроскопии с угловым разрешением (ARPES). Этот метод использует фотоэлектрический эффект для измерения обратного пространства – математического представления периодических структур, которое используется для вывода исходной структуры. ARPES можно использовать для определения направления, скорости и рассеяния электронов в материале.

Интересные факты

• Название этой элементарной частицы происходит от греческого термина, в переводе обозначающего «янтарь». Дело в том, что в Древней Греции ученые проводили опыты: они терли шерстью большие куски янтаря, и они после процедур начинали притягивать мелкие куски бумаги и прочие предметы.
• Сам термин «электрон», в качестве обозначения фундаментальной единицы в электрохимии появился в 1894 году. Предложил его ученый Дж. Стоуни.
• Открытие электрона официально принадлежит сразу двум ученым – Дж. Томпсону и Э. Вихерту. Благодаря им также стало известно: в случае катодных лучей отношение заряда к массе от источника ничуть не зависит.

Предыдущая

ТеорияОтражение света

Модель атома можно представить себе следующим образом:

Рис. (2). Модель атома

Информация об этих частицах дана в таблице.

Рис. (3). Состав атома

Количество нейтронов в атомах может быть отлично от количества протонов и электронов.
Атом, потерявший один или несколько электронов, не будет нейтральным, а будет иметь заряд  «+». Его называют положительным ионом.

Атом, к которому присоединился электрон, приобретает заряд «-» и становится отрицательным ионом.

Узнать, сколько тех или иных частиц содержит нейтральный атом, поможет периодическая система химических элементов (таблица Менделеева). Любой элемент в таблице имеет порядковый номер и относительную атомную массу.

Рис. (7). Обозначение элемента в периодической таблице

Зная строение атома, можно объяснить электризацию тел.

Зная строение атома, можно объяснить существование проводников и диэлектриков.

Так, в металлах это — электроны, в растворах солей, кислот, щелочей — положительные и отрицательные ионы. Например, когда прикасаются металлической проволокой к отрицательно заряженному электрометру, свободные электроны передвигаются по проволоке, а электрометр разряжается.

Поэтому прикосновение деревянной линейки к заряженному электрометру не вызывает никаких изменений.
Зная строение атома, можно объяснить явление притяжения ненаэлектризованных тел к наэлектризованным.

Рис. (8). Воздействие положительно заряженной палочки на гильзу

В металлической гильзе есть свободные электроны. Под действием электрического поля палочки они приходят в движение, так как начинают притягиваться к ней. В результате происходит перераспределение заряда. Электроны скапливаются на стороне, которая ближе к палочке, и она заряжается отрицательно. На противоположной стороне недостаток электронов, поэтому она заряжается положительно. Но в целом заряд гильзы равен нулю (в соответствии с законом сохранения заряда).

Рис. (9). Распределение заряда при воздействии на нейтральную гильзу положительно заряженной палочки

Если палочка будет заряжена отрицательно, то свободные электроны будут отталкиваться от неё и перемещаться в противоположную сторону.

Рис. (10). Распределение заряда при воздействии на нейтральную гильзу отрицательно заряженной палочки

По такому же принципу происходит отклонение листочков незаряженного электроскопа при поднесении к нему (не касаясь) заряженной палочки.

Рис. (11). Распределение заряда на электроскопе

Электрическое поле палочки вызывает перераспределение зарядов в металлическом стержне электроскопа. В верхней части будет избыток электронов, а в нижней — недостаток. Поэтому оба листочка зарядятся положительно и оттолкнутся друг от друга.

заряд электрона равен минус 1.6 х 10 в минус девятнадцатой степени Кулона. Это наименьший существующий заряд, он неделим (как считает современная наука) и является эталоном для измерения заряженности частиц, имеющих заряд. система выбрала этот ответ лучшим Заряд электрона равен 1,6021 помноженное на 10 в минус девятнадцатой степени Кл. Впервые заряд электрона измерил А. Иоффе в 1911 году, потом в 1912 году были эксперименты Р. Милликена так же подтвердившие заряд электрона. ДРЕСС­ИРОВЩ­ИК [56.5K] 9 лет назад  как гласит наука — заряд электрона равен 1,602176565(35)·10 в минус девятнадцатой степени (вот такое число) — заряд электрона считается неделимым и является единицей для измерения других элементарных частиц. Senio­r Membe­r [2.4K] 9 лет назад  Из современных учебных пособий по физике следует, что электрон не имеет структуры и является неделимым. Впервые заряд электрона был измерен советским физиком Абрамом Федоровичем Иоффе, которого в простонароде называют «отцом современной физики». Заряд электрона равен: Leona-100 [110K] 8 лет назад  Из школьного курса физики мы знаем, что заряд электрона будет равен 1.60217657 × 10 в 19-ой степени Кулона. Заряд электрона является неделимым и именно он будет эталоном для измерения заряженности частиц, которые имеют свой заряд. Учите физику — в жизни пригодится! rumba­08 [33.8K] 9 лет назад  Согласно научным данным заряд электрона равен -1,60 умноженная на 10 в -19 степени Кл. Если быть более точным с цифрами, то выглядит это вот так: -1,602176565(35)* 10 в минус 19 степени. Стоит ещё отметить, что заряд электрона неделим. haler­on [8.8K] 8 лет назад  Заряд электрона равен 1,6021 помноженное на 10 в минус девятнадцатой степени Кулона. По научному в физике эта формула записывается следующим образом q(-e)= -1.6*10 ^-19. Измерял это «отец современной физики» Абрамом Федоровичем Иоффе . Poler­ol [27.8K] 8 лет назад  Величина заряда электрона известна точно до нескольких знаков, но если округлить (и так гораздо легче для запоминания)- это -1,6 х 10 в минус 19 степени. Величина крайне мала, но современная наука позволяет измерить ее абсолютно точно. Katal­ina [24.1K] 9 лет назад  Электрон (от греческого янтарь) — это элементарная частица, отрицательно заряженная и стабильная. Заряд его неделим и составляет -1,6 умноженное на 10 в -19 степени. Др. заряженные лептоны, таон и мюон имеют идентичный заряд. Всем доброго времени суток! Помню сам сталкивался с этой проблемой когда учился ещё в школе. Так вот заряд электрона равен -1. А точнее q(-e)= -1.6*10 ^-19 Кулон, при этом напомню что заряд протона равен 1.6*10 ^-19 Кулон. Заряд электрона В Кулонах (Кл) = −1,602176565(35)·10 (в −19 степени) В Франклинах (Фр) = −4,80320427(13)·10 (в −10 степени) В СГС (сантиметр-грамм-секунда) = −1,602176565(35)·10 (в −20 степени) !заряд неделим! Заряд электрона равен 1.60217657 × 10 в 19-ой степени. Знаете ответ?

Электрон ()
Состав	фундаментальная частица[1]
Семья	Фермион
Группа	Лептон
Участвует во взаимодействиях	гравитационное[2], слабое и электромагнитное
Античастица	Позитрон
Масса	9,10938356(11)·10−31 кг[3], 0,5109989461(31) МэВ[3], 5,48579909070(16)·10-4 а.е.м.[3]
Время жизни	∞ (не менее 6,6·1028 лет[4][5])
Квантовые числа
Электрический заряд	−1,6021766208(98)·10−19 Кл[3]
Барионное число	0
Лептонное число	+1
Спин	1/2 ħ
Магнитный момент	−9,274009994(57)·10−24 Дж/Тл
Внутренняя чётность	1
Изотопический спин	0

Электро́н (от др.-греч. ἤλεκτρον — янтарь^[6]) — стабильная отрицательно заряженная элементарная частица. Считается фундаментальной и является одной из основных структурных единиц вещества. Классифицируется как фермион (обладает спином, равным ½) и как лептон. Единственный (наравне со своей античастицей — позитроном) из известных заряженных лептонов, являющийся стабильным. Электроны образуют электронные оболочки атомов, строение которых определяет большинство оптических, электрических, магнитных, механических, химических свойств вещества^[7]. Движение электронов обусловливает протекание электрического тока во многих проводниках (в частности, в металлах). В рациональной системе единиц комптоновская длина волны электрона является единицей длины, а масса электрона — единицей массы.

Свойства

Заряд электрона неделим и равен −1,6021766208(98)·10⁻¹⁹ Кл^[3] (или −4,80320427(13)·10⁻¹⁰ ед. заряда СГСЭ в системе СГСЭ или −1,6021766208(98)·10⁻²⁰ ед. СГСМ в системе СГСМ); он был впервые непосредственно измерен в экспериментах А. Ф. Иоффе (1911) и Р. Милликена (1912). Эта величина служит единицей измерения электрического заряда других элементарных частиц (в отличие от заряда электрона, элементарный заряд обычно берётся с положительным знаком). Масса электрона равна 9,10938356(11)·10⁻³¹ кг.^[3]

кг^[3] — масса электрона.

Кл^[3] — заряд электрона.

Кл/кг^[3] — удельный заряд электрона.

 — спин электрона в единицах

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^[4]). 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 структурой и размерами^[8]. Эксперименты по сверхточному определению магнитного момента электрона (Нобелевская премия 1989 года) показывают, что размеры электрона не превышают 10⁻²⁰ см^[9][10]. Проведённые до этого эксперименты по столкновению электронов высоких энергий давали большее значение 10⁻¹⁷ см^[11].

Внутренняя чётность электрона равна 1.^[12] 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 ¹⁄₂, и, таким образом, электрон относится к фермионам.

Как и любая заряженная частица со спином, электрон обладает магнитным моментом, причем магнитный момент делится на нормальную часть и аномальный магнитный момент. В 1989 г. Г. Демельту была присуждена Нобелевская премия по физике за измерение магнитного момента электрона с точностью до знаков после запятой^[9][10].

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^[13] негатроном^[14], положительно заряженный — позитроном.

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

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 между двумя металлами, находящимися в контакте, проходит электрический ток, несмотря на то, что обычно поверхность металла покрыта слоями окисла или загрязнена и электрический ток между металлическими электродами и ионами раствора^[15].

Этимология и история открытия

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 предложен^[16] Дж. Дж. Стоуни в 1894 (сама единица была введена им в 1874). Открытие электрона как частицы принадлежит Э. Вихерту^[17][18] и Дж. Дж. Томсону, который в 1897 установил, что отношение заряда к массе для катодных лучей не зависит от материала источника. (см. Открытие электрона)

Открытие волновых свойств^[19]. Согласно гипотезе де Бройля (1924), электрон (как и все другие материальные микрообъекты) обладает не только корпускулярными, но и волновыми свойствами.

Де-бройлевская длина волны электрона равна , где  — постоянная Планка,  — импульс электрона. В нерелятивистском случае она равна , где  — скорость движения электрона,  — масса электрона. В ультрарелятивистском случае она равна , где  — скорость света,  — 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^[20][21].

Использование

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^[22] и в буровых установках для бурения скальных пород^[23].

Электрон как квазичастица

Если электрон находится в периодическом потенциале, его движение рассматривается как движение квазичастицы^[24]. Его состояния описываются квазиволновым вектором. Основной динамической характеристикой в случае квадратичного закона дисперсии является эффективная масса, которая может значительно отличаться от массы свободного электрона и в общем случае является тензором^[25].

Электрон и Вселенная

Через сотую долю секунды после Большого взрыва Вселенная состояла из смеси электронов, позитронов, нейтрино, фотонов, протонов, нейтронов. На каждые протон и нейтрон приходилось примерно по миллиарду электронов, позитронов, нейтрино и фотонов. Примерно через секунд после Большого взрыва, когда температура Вселенной снизилась до млрд. градусов, почти все электроны аннигилировали с позитронами^[26].

Известно^[27], что из каждых 100 нуклонов во Вселенной, 87 являются протонами и 13 — нейтронами (последние в основном входят в состав ядер гелия). Для обеспечения общей нейтральности вещества число протонов и электронов должно быть одинаково. Плотность барионной (наблюдаемой оптическими методами) массы, которая состоит в основном из нуклонов, достаточно хорошо известна (один нуклон на 0,4 кубического метра)^[28]. С учётом радиуса наблюдаемой Вселенной (13,7 млрд световых лет) можно подсчитать, что число электронов в этом объёме составляет ~10⁸⁰, что сопоставимо с большими числами Дирака.

Электрический заряд электрона, постоянная Планка и скорость света определяют постоянную тонкой структуры, определяющую интенсивность электромагнитных взаимодействий: .

Масса электрона, электрический заряд электрона и постоянная Планка определяют характерный размер атомов (Боровский радиус): см^[29].

Радиоизлучение радиогалактик и пульсаров объясняется синхротронным излучением электронов в магнитных полях около этих объектов. Доля электронов с энергией, превышающей Гэв, в первичных космических лучах составляет около от общего потока.^[30]

Давление вырожденного электронного газа играет важную роль на заключительном этапе эволюции звёзд. Звёзды с массой меньше чандрасекаровского предела после охлаждения стабилизируются давлением вырожденного электронного газа и превращаются в белые карлики. В звёздах с большей массой атомные ядра захватывают электроны и распадаются на нейтроны (нейтронная звезда)^[31]. Ядерные реакции с участием электронов и позитронов играют важную роль при взрывах сверхновых звёзд^[32].

С электроном связаны несколько физических величин, имеющих размерность длины^[33]:

Все электроны во Вселенной абсолютно одинаковы по своим свойствам. Если обозначить величину электрического заряда электрона как , то электрические заряды всех известных элементарных частиц, за исключением кварков, равны , а электрические заряды кварков равны . Масса электрона резко выделяется в распределении известных элементарных частиц по массам^[34]. Классический радиус электрона почти равен радиусу действия ядерных сил^[35][36][37] Можно ли вывести величину электрического заряда электрона из других мировых констант (скорости света, постоянной Планка, гравитационной постоянной)?^[38] Имеет ли смысл вопрос о размере электрона? Зависит ли размер электрона от условий опытов?^[39] Объяснение этих фактов представляет собой нерешённую проблему современной физики.

Если бы масса электрона превышала разность масс нейтрона и протона, то химический состав Вселенной коренным бы образом изменился. В ней отсутствовал бы водород, а следовательно, звёзды в их обычном понимании, жизнь^[40].

Если бы электрон имел целый спин, то принцип Паули для него не выполнялся бы. Как следствие, во всех атомах отсутствовали бы электронные оболочки, все атомы были бы химически инертны. Во Вселенной отсутствовали бы молекулы, химические соединения и жизнь, подобная нашей.

Орбиталь

Орбиталь — в многоэлектронной системе — одноэлектронная волновая функция^[41].

Для описания атомных и молекулярных многоэлектронных систем вместо точного решения уравнения Шрёдингера приходится обращаться к тем или иным приближениям, одним из которых является одноэлектронное или (другое название) — орбитальное. В его основе лежит представление о существовании индивидуальных состояний каждого электрона, которые представляют собой стационарные состояния движения электрона в некотором эффективном поле, создаваемом ядром (или ядрами) и всеми остальными электронами. Эти стационарные состояния описываются соответствующими одноэлектронными функциями^[41].

Электрон в произведениях искусства

• В. Брюсов посвятил электрону свое стихотворение «Мир электрона».

См. также

Примечания

Литература

• Все известные свойства электрона систематизированы в обзоре Particle Data Group [1] (англ.).
• Бронштейн М. П. Атомы и электроны. — М.: Наука. — 1980. — 152 с., Библиотечка «Квант», вып. 1. тир. 150000 экз.
• Дмитриев И.С. Электрон глазами химика / 2-е изд., испр.. — Л.: Химия, 1986. — 225 с.
• Широков Ю. М., Юдин Н. П. Ядерная физика. — М.: Наука, 1972. — 670 с.
• Буравихин В. А., Егоров В. А. Биография электрона. — М.: Знание, 1985. — 136 с.