Що таке маса електрона?

Відомо, що електрони мають негативний заряд. Але яким чином можна переконатися в тому, що маса електрона і його заряд постійні для всіх цих частинок? Перевірити це можна, тільки піймавши його на льоту. Зупинившись, він загубиться серед молекул і атомів, з яких складається лабораторне обладнання. Процес пізнання мікросвіту і його часток пройшов довгий шлях: від перших примітивних експериментів до новітніх розробок в області експериментальної атомної фізики.

Перші відомості про електронах

Сто п'ятдесят років тому електрони не відомі були. Першим дзвіночком, що вказує на існування «цеглинок» електрики, були досліди з електролізу. У всіх випадках кожна заряджена частинка речовини несла стандартний електричний заряд, що мав одну і ту ж величину. В деяких випадках кількість заряду подвоювалася або утраивалась, але завжди залишалося кратним однієї мінімальної величині заряду.

Експерименти Дж. Томпсона

В лабораторії Кавендіша Дж. Томсон провів експеримент, реально доводить існування частинок електрики. Для цього вчений досліджував випромінювання, що виходить з катодних трубок. В експерименті промені відштовхувалися від негативно зарядженої пластини і притягувалися до позитивно зарядженої. Гіпотеза про постійну присутність в електричному полі якихось електричних частинок підтвердилася. Швидкість руху їх була порівнянна з швидкістю світла. Електричний заряд у перерахунку на масу частинки виявився неймовірно великим. Зі своїх спостережень Томпсон вивів кілька висновків, які згодом були підтверджені іншими дослідженнями.

Висновки Томпсона

Атоми можуть бути розбиті при бомбардуванні швидкими частинками. При цьому з середини атомів вириваються негативно заряджені корпускули.

Всі заряджені частинки мають однакову масу і заряд поза залежністю від речовини, з якого вони були одержані.

Маса цих часток набагато менше маси атома найлегшого.

Кожна частинка речовини несе в собі найменшу можливу частку електричного заряду, менше якого в природі не існує. Будь-яке заряджене тіло несе в собі цілу кількість електронів.

Докладні досліди дали можливість провести розрахунки параметрів таємничих мікрочастинок. В результаті було з'ясовано, що відкриті заряджені корпускули є неподільними атомами електрики. Згодом їм було дано назву електронів. Воно прийшло ще з Давньої Греції і виявилося доречним для опису нової частинки.

Пряме вимірювання швидкості електрона

Оскільки немає ніяких можливостей побачити електрон, досліди, необхідні для вимірювання базових величин цієї елементарної частинки, виробляються з допомогою полів – електромагнітного і гравітаційного. Якщо перше впливає тільки на заряд електрона, то за допомогою тонких дослідів, враховуючи гравітаційний вплив, можна було приблизно розрахувати масу електрона.

Електронна гармата

Перші вимірювання мас і зарядів електронів були проведені за допомогою електронної гармати. Глибокий вакуум в тілі гармати дозволяє електронам нестися вузьким пучком від одного катода до іншого. Електрони змушують двічі проходити через вузькі отвори з постійною швидкістю v . Відбувається процес, подібний до того, як струмінь з садового шланга попадає в дірку в паркані. Порції електронів летять вздовж трубки з постійною швидкістю. Експериментально доведено, що коли напруга, прикладена до електронної гармати, становить 100 В, то швидкість електрона буде розрахована як 6 млн м/с.

Експериментальні висновки

Пряме вимірювання швидкості електрона показує, що незалежно від того, з яких матеріалів зроблена гармата і яка різниця потенціалів, виконується співвідношення e/m = const. Цей висновок був зроблений вже на початку XX століття. Однорідні пучки заряджених частинок тоді ще не вміли створювати, для дослідів використовувались інші прилади, але результат залишався тим же. Експеримент дозволив зробити кілька висновків. Відношення заряду електрона до його маси має одну і ту ж величину для електронів. Це дає можливість зробити висновок про універсальність електрона як складової частини будь-якої матерії в нашому світі. При дуже великих швидкостях величина e/m виявляється меншою очікуваної. Цей парадокс можна цілком пояснити тим фактом, що при високих швидкостях, порівнянних із швидкістю світла, маса частинки збільшується. Граничні умови перетворень Лоренца говорять про те, що при швидкості тіла, що дорівнює швидкості світла, маса цього тіла стає нескінченною. Помітне збільшення маси електрона відбувається в повній згоді з теорією відносності.

Електрон і його маса спокою

Парадоксальний висновок про те, що маса електрона непостійна, тягне за собою кілька цікавих висновків. У звичайному стані маса спокою електрона не змінюється. Її можна виміряти на підставі різних експериментів. В даний час маса електрона неодноразово виміряна і становить 910938291(40)·1031 кг. Електрони з такою масою вступають в хімічні реакції, формують рух електричного струму, уловлюються точнейшими приладами, що реєструють ядерні реакції. Помітне збільшення цього значення можливо лише при швидкостях, близьких до швидкості світла.

Електрони в кристалах

Фізика твердого тіла – це наука, що веде спостереження за поведінкою заряджених частинок у кристалах. Підсумком численних експериментів стало створення особливої величини, що характеризує поведінку електрона в силових полях кристалічних речовин. Це так звана ефективна маса електрона. Її величина обчислюється виходячи з того, що рух електрона в кристалі підпорядковується додатковим силу, джерелом яких є сама кристалічна решітка. Такий рух можна описати як стандартне для вільного електрона, але при розрахунку імпульсу і енергії такої частинки слід брати до уваги не масу спокою електрона, а ефективну, значення якої буде іншим.

Імпульс електрона в кристалі

Стан будь-якої вільної частинки може бути охарактеризований величиною її імпульсу. Оскільки значення імпульсу вже визначено, то, згідно з принципом невизначеності, координати частинки наче розмиті по всьому кристалу. Ймовірність зустріти електрон в будь-якій точці кристалічної решітки практично однакова. Імпульс електрона характеризує його стан у будь-якій координаті енергетичного поля. Розрахунки показують, що залежність енергії електрона від його імпульсу така ж, як і вільної частинки, але при цьому маса електрона може приймати значення, що відрізняється від звичайного. В цілому енергія електрона, виражена через імпульс, буде мати вигляд E(p)=p 2 /2m*. В даному випадку m* - ефективна маса електрона. Практичне застосування ефективної маси електрона надзвичайно важливо при розробці та вивченні нових напівпровідникових матеріалів, які застосовуються в електроніці та микротехнике. Маса електрона, як і будь-який інший квазічастинки, не може бути охарактеризована стандартними характеристиками, придатними в нашій Всесвіту. Будь-яка характеристика мікрочастинки здатна дивувати і піддавати сумніву всі наші уявлення про навколишній світ.