Как найти заряд одного электрона - Исправление недочетов и поиск решений вместе с Examum.ru

Возьмём два одинаковых электрометра и один из них зарядим (рис. а). Его заряд соответствует (6) делениям шкалы.

Рис. (1). Электрометры

Если соединить эти электрометры стеклянной палочкой, то никаких изменений не произойдёт. Это подтверждает тот факт, что стекло является диэлектриком. Если же для соединения электрометров использовать металлический стержень А (рис. б), держа его за не проводящую электричество ручку В, то можно заметить, что первоначальный заряд разделится на две равные части: половина заряда перейдёт с первого шара на второй. Теперь заряд каждого электрометра соответствует (3) делениям шкалы. Продолжим опыт. Разъединим электрометры и коснёмся второго шара рукой. От этого он потеряет заряд — разрядится. Соединим его снова с первым шаром, на котором осталась половина первоначального заряда. Оставшийся заряд снова разделится на две равные части, и на первом шаре останется четвёртая часть первоначального заряда. Таким же образом можно получить одну восьмую часть, одну шестнадцатую часть первоначального заряда и т.д.
Возникает вопрос, до каких пор можно уменьшать заряд? Существует ли предел деления электрического заряда? Чтобы выяснить это, понадобилось выполнить более сложные и точные опыты, чем описанный выше, так как очень скоро оставшийся на шаре заряд оказывается столь малым, что обнаружить его при помощи школьного электрометра не удаётся. Более точные опыты показали, что электрический заряд нельзя уменьшать бесконечно: он имеет предел делимости.

Электрический заряд — это физическая величина, которую обозначают буквой (q).

За единицу электрического заряда принят кулон (Кл). Частицу, имеющую самый маленький заряд, назвали электроном. Этот заряд нельзя «снять» с электрона. Заряд электрона обозначают буквой е. Заряд электрона является отрицательным. (e = -0,00000000000000000016) Кл = (-)

1,6
·10
−19

()Кл. Этот заряд в миллиарды раз меньше того, что обычно получают в опытах по электризации тел трением.
Чтобы узнать заряд тела, необходимо заряд электрона умножить на количество зарядов n:

q=e
·n

.
Электрон — очень маленькая частица. Его масса (m =)9,1
·10
−31 кг. Крылышко мухи имеет массу примерно в (5·10²²) большую, чем масса электрона.

Если тело не заряжено и при электризации оно приобрело электроны, то оно зарядится отрицательно. Его заряд будет равен сумме зарядов полученных электронов.

Обрати внимание!

Если тело заряжено отрицательно и при электризации оно ещё приобретает электроны, то отрицательный заряд тела возрастает.

Пример:

Например, до электризации тело с зарядом (2е) в ходе электризации приобретает ещё (4) заряда электрона. Тогда после электризации заряд тела равен (2е + 4е = 6е).

Обрати внимание!

Если тело заряжено отрицательно и при электризации оно теряет электроны, то отрицательный заряд тела уменьшается.

Например, до электризации тело с зарядом (8е) в ходе электризации теряет (3) заряда электрона. Тогда после электризации заряд тела равен (8е — 3е = 5е).

Все вещества состоят из атомов.

Обрати внимание!

Атом состоит из ядра, а вокруг него движутся электроны.

Модель атома можно представить себе следующим образом:

Рис. (2). Модель атома

Обрати внимание!

Ядро тоже имеет свой состав: протоны и нейтроны.

Информация об этих частицах дана в таблице.

Частицы	Обозначение	Заряд (условные единицы)	Заряд, Кл	Масса, кг
Протон	p	+1	1,6 ·10−19	1,7 ·10−27
Нейтрон	n	0	(0)	1,7 ·10−27
Электрон	e	-1	(-1,6·10^{-19})	9,1 ·10−31

Рис. (3). Состав атома

Обрати внимание!

Атом не имеет заряда, т.к. количество электронов в атоме равно количеству протонов.

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, потерявший один или несколько электронов, называют положительным ионом.

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

Атом, к которому присоединился один или несколько электронов, называется отрицательным ионом.

Нейтральный атом	Отрицательный ион	Положительный ион

Рис. (4). Число протонов и электронов одинаково	Рис. (5). Число электронов больше числа протонов	Рис. (6). Число электронов меньше числа протонов

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

Обрати внимание!

Количество протонов, а также электронов в нейтральном атоме всегда совпадает с порядковым номером.
Количество нейтронов равно разности относительной атомной массы (выраженной целым числом) и порядкового номера.

Например:

Элемент	Порядковый номер	Относительная атомная масса	Число протонов	Число электронов	Число нейтронов
Медь	29	63,546	29	29	64 — 29=35

Зная строение атома, можно объяснить электризацию тел.

Обрати внимание!

При трении двух тел электроны переходят с одного тела (где силы притяжения к ядру меньше) на другое (в котором эти силы больше).

Зная строение атома, можно объяснить существование проводников и диэлектриков.

Проводник — это тело, внутри которого содержится достаточное количество свободных электрических зарядов.

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.

Изолятор (или диэлектрик) — тело, не содержащее внутри свободные электрические заряды.

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

п1.svg

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).

п2.svg

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.

п3.svg

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.

Источники:

Рис. 1. Электрометры. © ЯКласс.
Рис. 2. Модель атома. © ЯКласс.
Рис. 3. Состав атома. © ЯКласс.
Рис. 4. Число протонов и электронов одинаково. © ЯКласс.
Рис. 5. Число электронов больше числа протонов. © ЯКласс.
Рис. 6. Число электронов меньше числа протонов. © ЯКласс.
Рис. 7. Обозначение элемента в периодической таблице. © ЯКласс.
Рис. 8. Воздействие положительно заряженной палочки на гильзу. © ЯКласс.
Рис. 9. Распределение заряда при воздействии на нейтральную гильзу положительно заряженной палочки. © ЯКласс.
Рис. 10. Распределение заряда при воздействии на нейтральную гильзу отрицательно заряженной палочки. © ЯКласс.
Рис. 11. Распределение заряда на электроскопе. © ЯКласс.

Источник

Заряд электрона

Определение и общие сведения о заряде электрона

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:

$[frac{q}{m}=const qquad (1) ]$

Помимо этого Томсон показал, что для разных газов отношение $frac{q}{m}$ 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:

$[left|q_eright|=1,6cdot {10}^{-19}Kl]$

Электрический заряд всякого заряженного тела равен целому числу и кратен заряду электрона. Сейчас существует мнение, что имеются элементарные частицы – кварки, которые обладают дробным зарядом ( $frac{q_e}{3}; frac{2q_e}{3}$ ).

Таким, образом, заряд электрона считают равным:

$[q_e=-1,6cdot {10}^{-19}Kl]$

Примеры решения задач

Источник

Электрон — это стабильная отрицательно заряженная элементарная частица.

Электроны играют важную роль почти во всех физических эффектах. Поскольку электроны несут заряд, они также генерируют электрическое поле. Если привести электрон в движение, то возникнет магнитное поле. Если электрон проходит через другое внешнее электрическое поле, его путь изменяется под действием силы Лоренца.

Электрон принадлежит к лептонному семейству частиц. Существует несколько различных семейств частиц, перечисленных в стандартной модели физики частиц.

Спин электрона и магнитный момент электрона.

Согласно современному уровню знаний, лептоны являются элементарными частицами. По сравнению с другими лептонами, электрон имеет самую низкую массу среди лептонов, несущих заряд. Он принадлежит к первому поколению лептонов. Второе и третье поколения — мюон и тауон. Эти две частицы имеют одинаковые с электроном заряды и спин, но отличаются от него большей массой.

Лептоны отличаются от других фундаментальных частиц, таких как кварки, отсутствием сильного взаимодействия. Все лептоны принадлежат к семейству фермионов, поэтому электрон имеет собственный вращательный момент ( спин ) s = ½ в единицах ℏ, где ℏ — приведённая постоянная Планка).

« 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 μ_e = -9,2847647043(28)⋅10−24 Дж/Тл. »

Википедия

Атомы и молекулы.

Электроны связаны с ядрами атомов «притягивающей» кулоновской силой. Такой состав из атомного ядра и одного или нескольких электронов называется атомом. Электроны движутся вокруг ядра атома. Если число электронов отличается от заряда ядра, то это ион.

Волновая природа связанных электронов описывается атомными орбиталями. Каждая из этих орбиталей имеет ряд квантовых чисел, таких как энергия и момент. Кроме того, у атома может быть только дискретное число орбиталей. В силу принципа Паули на орбитали может находиться максимум два электрона, спин которых имеет разные знаки.

Электроны находятся в оболочке атома, протоны — в атомном ядре

Химическая связь между атомами возникает благодаря электромагнитным взаимодействиям, которые описываются с помощью квантовой физики. Самые прочные связи создаются путем обмена или передачи электронов. Это позволяет образовывать молекулы. В молекулах электроны движутся аналогично атомам и занимают молекулярные орбитали. Однако фундаментальным отличием является образование пар электронов с разными спинами. Это позволяет нескольким электронам занимать одну орбиталь без нарушения принципа Паули.

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.

Свойства электрона

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

Масса электрона

Электроны очень малы. Масса электрона составляет m_e = 9,109 • 10^-31 кг или 5, 489 • 10^-4 атомных единиц массы (а. е. м). Эта масса примерно в 3700 раз меньше массы молекулы водорода, которая является самой маленькой из всех молекул. Из-за эквивалентности массы и энергии в соответствии с принципом относительности это приводит к энергии покоя 0,511 МэВ (мегаэлектронвольт).

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.

Электрический заряд — это физическая величина. Она обозначается буквой q. Единицей электрического заряда является кулон (Кл). Эта единица названа в честь французского физика Шарля Кулона. Электрон — это частица с наименьшим отрицательным зарядом. Его заряд равен e₀ = — 1,6 • 10^-19 Кл.

Модуль заряда электрона назвали элементарным электрическим зарядом. Его обозначают е. Измерения показали, что e = 1,6 • 10¹⁹ 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 = m_ec² = 9,109 • 10^-31 • (3 • 10⁸ )² = 8,2 • 10^-14 Дж = 0,511 • 10⁶ эВ ≈ 0,511 МэВ

Список литературы

Список литературы

Тихомирова С. А., Яворский Б. М. Физика (базовый уровень) – М.: Мнемозина, 2012.
Перышкин А. В. Физика 8. – М.: Дрофа, 2010.
Бронштейн М. П. Атомы и электроны. — М.: Наука. — 1980. — 152 с., Библиотечка «Квант», вып. 1. Тир. 150000 экз.

Источник

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?

Источник

Электрон ( ${displaystyle e,~e^{-}}$ )
Вероятностная картина местоположения единственного электрона в атоме
Состав	фундаментальная частица
Семья	Фермион
Группа	Лептон
Участвует во взаимодействиях	гравитационное^[1], слабое и электромагнитное
Античастица	Позитрон
Масса	9,10938356(11)⋅10⁻³¹ кг^[2], 0,5109989461(31) МэВ^[2], 5,48579909070(16)⋅10^-4 а.е.м.^[2]
Время жизни	∞ (не менее 6,6⋅10²⁸ лет^[3]^[4])
Квантовые числа
Электрический заряд	−1,6021766208(98)⋅10⁻¹⁹ Кл^[2]
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^[5]) — стабильная отрицательно заряженная элементарная частица. Считается фундаментальной (не имеющей, насколько это известно, составных частей) 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^[6]. 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.

Содержание

1 Свойства
2 Этимология и история открытия
3 Использование
4 Электрон как квазичастица
5 Электрон и Вселенная
6 Орбиталь
7 Электрон в произведениях искусства
8 См. также
9 Примечания
10 Литература

Свойства[править | править код]

Заряд электрона неделим и равен −1,6021766208(98)⋅10⁻¹⁹ Кл^[2] (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^[2].

${displaystyle {m_{mathrm {e} }}=9{,}10938356(11)cdot 10^{-31}}$

кг^[2] — масса электрона.

${displaystyle {e_{0}}=-1{,}6021766208(98)cdot 10^{-19}}$

Кл^[2] — заряд электрона.

${displaystyle {frac {e_{0}}{m_{mathrm {e} }}}=-1{,}758820024(11)cdot 10^{11}}$

Кл/кг^[2] — удельный заряд электрона.

${displaystyle s={frac {1}{2}}}$

— спин электрона в единицах 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^[3]). 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^[7]. Эксперименты по сверхточному определению магнитного момента электрона (Нобелевская премия 1989 года) показывают, что размеры электрона не превышают 10⁻²⁰ см^[8]^[9]. Проведённые до этого эксперименты по столкновению электронов высоких энергий давали более грубое ограничение на размеры: 10⁻¹⁷ см^[10].

Внутренняя чётность электрона равна 1.^[11] 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, причём магнитный момент делится на нормальную часть и аномальный магнитный момент. В 1989 году Г. Демельту была присуждена Нобелевская премия по физике за измерение магнитного момента электрона с точностью до 13 знаков после запятой^[8]^[9].

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^[12] негатроном^[13], 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^[14].

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^[15].

Этимология и история открытия[править | править код]

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, которые в 1897 году установили, что отношение заряда к массе для катодных лучей не зависит от материала источника.

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 $lambda ={frac {h}{p}}$ , где — постоянная Планка, — импульс электрона. В нерелятивистском случае v ll c она равна ${displaystyle lambda ={frac {h}{m_{mathrm {e} }v}}}$ , где — скорость движения электрона, ${displaystyle m_{mathrm {e} }}$ — масса электрона. В ультрарелятивистском случае ${displaystyle vrightarrow c,Egg m_{mathrm {e} }c^{2}}$ она равна ${displaystyle lambda ={frac {hc}{E}}}$ , 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^[19]^[20].

Использование[править | править код]

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^[21] и в буровых установках для бурения скальных пород^[22].

Электрон как квазичастица[править | править код]

Если электрон находится в периодическом потенциале, его движение рассматривается как движение квазичастицы^[23]. 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^[24].

Электрон и Вселенная[править | править код]

Через сотую долю секунды после Большого взрыва Вселенная состояла из смеси электронов, позитронов, нейтрино, фотонов, протонов и нейтронов. На каждые протон и нейтрон приходилось примерно по миллиарду электронов, позитронов, нейтрино и фотонов. Примерно через 14 секунд после Большого взрыва, когда температура Вселенной снизилась до 3 млрд градусов, почти все электроны аннигилировали с позитронами^[25].

Известно^[26], 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)^[27]. 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: $alpha ={frac {e^{2}}{hbar c}}approx {frac {1}{137}}$ .

Масса электрона, электрический заряд электрона и постоянная Планка определяют характерный размер атомов (боровский радиус): ${displaystyle r={frac {hbar ^{2}}{me^{2}}}=0{,}5cdot 10^{-8}}$ см^[28].

Радиоизлучение радиогалактик и пульсаров объясняется синхротронным излучением электронов в магнитных полях около этих объектов. Доля электронов с энергией, превышающей 1 ГэВ, в первичных космических лучах составляет около 1 % от общего потока^[29].

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)^[30]. Ядерные реакции с участием электронов и позитронов играют важную роль при взрывах сверхновых звёзд^[31].

С электроном связаны несколько физических величин, имеющих размерность длины^[32]:

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 ${displaystyle pm {frac {1}{3}}e,pm {frac {2}{3}}e}$ . Масса электрона резко выделяется в распределении известных элементарных частиц по массам^[33]. Классический радиус электрона почти равен радиусу действия ядерных сил^[34]^[35]^[36]. Можно ли вывести величину электрического заряда электрона из других мировых констант (скорости света, постоянной Планка, гравитационной постоянной)^[37]? Имеет ли смысл вопрос о размере электрона? Зависит ли размер электрона от условий опытов^[38]? Ответы на эти вопросы пока неизвестны (см. Нерешённые проблемы современной физики).

Если бы масса электрона превышала разность масс нейтрона и протона, то химический состав Вселенной изменился бы коренным образом. В ней отсутствовал бы водород, а следовательно, звёзды в их обычном понимании, жизнь и разум. Поэтому, возможно, малая масса электрона обусловлена антропным принципом^[39].

Если бы электрон имел целый спин, то принцип Паули бы для него не выполнялся. Как следствие, во всех атомах отсутствовали бы электронные оболочки, и все атомы были бы химически инертны. Во Вселенной отсутствовали бы молекулы, химические соединения и жизнь, подобная нашей.^{[источник не указан 118 дней]}

Орбиталь[править | править код]

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^[40] — орбиталями.

Электрон в произведениях искусства[править | править код]

В. Брюсов посвятил электрону своё стихотворение «Мир электрона».

См. также[править | править код]

Классический радиус электрона
Открытие электрона
Электричество
Электрический ток
Электроника
Фотоэлектронный умножитель
Электронная лампа
Теория одноэлектронной Вселенной
Парадоксы электрона
Электронное облако

Примечания[править | править код]

↑ Иванов И. Удивительный мир внутри атомного ядра: Научно-популярная лекция для школьников. ФИАН, 11 сентября 2007 года.
↑ ¹ ² ³ ⁴ ⁵ ⁶ ⁷ ⁸ ⁹ Fundamental Physical Constants — Complete Listing. CODATA. NIST.
↑ ¹ ² Agostini M. et al. (Borexino Coll.). Test of Electric Charge Conservation with Borexino (англ.) // Physical Review Letters. — 2015. — Vol. 115, iss. 23. — P. 231802. — DOI:10.1103/PhysRevLett.115.231802. — arXiv:1509.01223.
↑ Back H. O. et al. (Borexino Coll.). Search for electron decay mode e → γ + ν with prototype of Borexino detector (англ.) // Phys. Lett. B. — 2002. — Vol. 525, iss. 1—2. — P. 29—40. — DOI:10.1016/S0370-2693(01)01440-X. — Bibcode: 2002PhLB..525…29B.
↑ Также то же, что и электрум: «янтарного цвета сплав золота (80 %) с серебром (20 %)» (Черных П. Я. Историко-этимологический словарь).
↑ Ельяшевич М. А. Атом // Физическая энциклопедия : [в 5 т.] / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Советская энциклопедия, 1988. — Т. 1: Ааронова — Бома эффект — Длинные линии. — С. 146—151. — 707 с. — 100 000 экз.
↑ Наумов А. И. Физика атомного ядра и элементарных частиц. — М.: Просвещение, 1984. — С. 82. — 30 000 экз.
↑ ¹ ² Демельт Х. Эксперименты с покоящейся изолированной субатомной частицей. [(Нобелевская лекция)] (рус.) // УФН. — 1990. — Т. 160, вып. 12. — С. 129—139.
↑ ¹ ² Nobel lecture, December, 8, 1989, Hans D. Dehmelt Experiments with an isolated subatomic particle at rest
↑ Смондырев М. А. Квантовая электродинамика на малых расстояниях // Природа. — 1980. — № 9. — С. 74—77.
↑ Широков, 1972, с. 67.
↑ По предложению Карла Андерсона, открывшего позитрон в 1932 году.
↑ Beuermann K. P. et al. Cosmic-Ray Negatron and Positron Spectra Between 12 and 220 MeV // Phys. Rev. Lett.. — 1969. — Vol. 22. — P. 412—415. — DOI:10.1103/PhysRevLett.22.412.
Ejiri H. Difference between Log ft Values of Negatron Decays and Positron Decays from Odd-Odd Nuclei to Even-Even Nuclei // J. Phys. Soc. Jpn.. — 1967. — Vol. 22. — P. 360—367. — DOI:10.1143/JPSJ.22.360.
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. — Bibcode: 1993ICRC….2..132S.: «Hereafter, the term electron will refer to positrons and negatrons».
↑ Мотт Н., Снеддон И. Волновая механика и её применения. — М.: Наука, 1966. — Тираж 9400 экз. — С. 30
↑ Спроул Р. Современная физика. — М.: Наука, 1974. — Тираж 34 000 экз. — С. 18
↑ Stoney G. J. Of the ‘Electron,’ or Atom of Electricity] (англ.) // Philosophical Magazine. Series 5. — 1894. — Vol. 38. — P. 418—420.
↑ Wiechert E. Über das Wesen der Elektrizität (нем.) // Schriften der Physikalisch-Ökonomischen Gesellschaft zu Königsberg in Preußen. — 7 Jan. 1897. — Bd. 38, H. 1. — S. 3—12.
Wiechert E. Experimentelles über die Kathodenstrahlen (нем.) // Schriften der Physikalisch-Ökonomischen Gesellschaft zu Königsberg in Preußen. — 7 Jan. 1897. — Bd. 38, H. 1. — S. 12—16.
↑ Быков Г. В. К истории открытия электрона // Вопросы истории естествознания и техники. — 1963. — Вып. 15. — С. 25—29.
↑ Thomson G. P. The Septuagenarian Electron (англ.) // Phys. Today. — 1967. — Vol. 20, iss. 5. — P. 55.; Пер. с англ.: Томсон Г. П. Семидесятилетний электрон // УФН. — 1968. — Т. 94, вып. 2. — С. 361—370. — DOI:10.3367/UFNr.0094.196802f.0361.
↑ Томсон Г. П. Ранний этап изучения дифракции электронов // УФН. — 1969. — Т. 99, вып. 11. — С. 455—468. — DOI:10.3367/UFNr.0099.196911d.0455.
↑ Екатерина Зубкова. БИНТИ Ускорители для очистки дымовых газов электростанций // Наука и жизнь. — 2017. — № 10. — С. 40—41.
↑ Екатерина Зубкова. БИНТИ Пробурить скважину к глубинному теплу // Наука и жизнь. — 2017. — № 10. — С. 41.
↑ Киттель Ч. Квантовая теория твердых тел. — М.-Л.: Наука, 1967. — С. 103.
↑ Давыдов А. С. Теория твердого тела. — М.: Мир, 1979. — С. 122.
↑ Вайнберг С. Первые три минуты. — М.: Эксмо, 2011. — 208 с. — ISBN 978-5-699-46169-1.
↑ Boyd R. N. Big bang nucleosynthesis (англ.) // Nuclear Physics A. — 2001. — Vol. 693, no. 1—2. — P. 249—257. — DOI:10.1016/S0375-9474(00)00707-7.
↑ Astrophysical Constants and Parameters
↑ Смородинский Я. А. Законы и парадоксы элементарных частиц // Физика наших дней. Сборник. — М.: Знание, 1972. — С. 90—91.
↑ Дорман Л. И. Экспериментальные и теоретические основы астрофизики космических лучей. — М.: Наука, 1975. — 464 с.
↑ Широков, 1972, с. 552.
↑ Широков, 1972, с. 558.
↑ Щёлкин К. И. Физика микромира. — М.: Атомиздат, 1965. — 230 с.
↑ Розенталь И. Л., Архангельская И. В. Геометрия, динамика, Вселеннная. — М.: Едиториал УРСС, 2003. — С. 175. — ISBN 5-354-00413-6.
↑ Вайскопф В. Физика в двадцатом столетии. — М.: Атомиздат, 1977. — С. 103.
↑ Бор Н. Дискуссии с Эйнштейном о проблемах теории познания в атомной физике // Атомная физика и человеческое познание. — М.: ИЛ, 1961. — С. 92.
↑ Розенфельд Л. . Квантовая электродинамика // Нильс Бор и развитие физики. — М.: ИЛ, 1958. — С. 115.
↑ Иваненко Д. Д. Элементарные частицы // Очерки развития основных физических идей. — М.: АН СССР, 1959. — С. 427. — 5000 экз.
↑ Пономарев Л. И. По ту сторону кванта. — М.: Молодая гвардия, 1971. — С. 43.
↑ Новиков И. Д. Как взорвалась Вселенная. — М.: Наука, 1988. — 141 с. — ISBN 5-02-013881-9.
↑ Дмитриев, Электрон глазами химика, 1986, с. 65.

Литература[править | править код]

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.

Источник