Maddenin yapısı.

Atomun yapısı.

Bir atom, bir kimyasal elementin tüm kimyasal özelliklerinin taşıyıcısı olan en küçük parçacığıdır. Atom kimyasal olarak bölünemez. Atomlar hem serbest halde hem de aynı elementin veya başka bir elementin atomlarıyla birlikte var olabilir.
Şu anda, atom kütlesi 12'ye (izotop) eşit olan bir karbon atomunun kütlesinin 1 / 12'si, atomik ve moleküler kütlelerin bir birimi olarak alınır. Bu birime karbon birimi denir.

Atomların kütlesi ve boyutları. Avogadro'nun numarası.

Bir gram atomu, herhangi bir maddenin gram molekülü gibi, sırasıyla 6.023 10 ^ 23 atom veya molekül içerir. Bu numaraya Avogadro numarası (N0) denir. 55.85 gr demir, 63.54 gr bakır, 29.98 gr alüminyum vb.'de Avogadro sayısına eşit sayıda atom vardır.
Avogadro sayısını bilerek, herhangi bir elementin bir atomunun kütlesini hesaplamak kolaydır. Bunun için bir atomun gram-atomik kütlesi 6.023 10 ^ 23'e bölünmelidir. Yani, bir hidrojen atomunun (1) kütlesi ve bir karbon atomunun (2) kütlesi sırasıyla eşittir:

Avogadro sayısına dayanarak, bir atomun hacmi de tahmin edilebilir. Örneğin, bakırın yoğunluğu 8.92 g / cm ^ 3 ve gram atom kütlesi 63.54 g'dır Bu, bir gram bakırın bir hacim kapladığı anlamına gelir. ve bir bakır atomunun hacmi var .

Atomların yapısı.

Atom karmaşık bir varlıktır ve bir dizi daha küçük parçacıktan oluşur. Tüm elementlerin atomları, pozitif yüklü bir çekirdekten ve elektronlardan - çok küçük kütleli negatif yüklü parçacıklardan oluşur. Çekirdek, bir atomun tüm hacminin ihmal edilebilir bir bölümünü kaplar. Atomun çapı cm, çekirdeğin çapı cm'dir.
Bir atomun çekirdeğinin çapı, atomun kendi çapından 100.000 kat daha az olmasına rağmen, pratikte bir atomun tüm kütlesi çekirdeğinde yoğunlaşmıştır. Dolayısıyla atom çekirdeğinin yoğunluğunun çok yüksek olduğu sonucu çıkar. 1 cm3 atom çekirdeği toplamak mümkün olsaydı, kütlesi yaklaşık 116 milyon ton olurdu.
Çekirdek proton ve nötronlardan oluşur. Bu parçacıkların ortak bir adı vardır - nükleonlar.
Proton- - bir karbon birimine yakın kütleye sahip kararlı bir temel parçacık. Proton yükü elektrot yüküne eşittir, ancak zıt işaretlidir. Elektronun yükü -1'e eşit alınırsa, protonun yükü +1'e eşittir. Proton, elektrondan yoksun bir hidrojen atomudur.
Nötron- negatif yükü, içindeki protonların varlığından dolayı çekirdeğin pozitif yükünü telafi eden bir atom kabuğu.
Yani bir atomdaki elektron sayısı, çekirdeğindeki proton sayısına eşittir.
Bir atomun proton sayısı, nötron sayısı ve kütle numarası arasındaki ilişki şu denklemle ifade edilir: N = A-Z
Bu nedenle, herhangi bir elementin atomunun çekirdeğindeki nötron sayısı, kütle numarası ile proton sayısı arasındaki farka eşittir.
Böylece kütlesi 226 N = A-Z = 226-88 = 138 olan bir radyum atomunun çekirdeğindeki nötron sayısı

Bir elektronun kütlesi ve yükü.

Kimyasal bileşiklerin oluşumu ve yok edilmesiyle ilgili tüm kimyasal işlemler, bu bileşikleri oluşturan elementlerin atomlarının çekirdeğini değiştirmeden gerçekleşir. Sadece elektronik kabuklar değişikliğe uğrar. Kimyasal enerji bu nedenle elektronların enerjisi ile ilgilidir. Kimyasal bileşiklerin oluşum ve yıkım süreçlerini anlamak için, genel olarak elektronun özellikleri ve özellikle elektronun atomdaki özellikleri ve davranışı hakkında fikir sahibi olunmalıdır.
Elektron- Bu, temel bir negatif elektrik yüküne sahip, yani var olabilecek en küçük elektrik miktarına sahip temel bir parçacıktır. Elektron yükü e'ye eşittir. Sanat. birimler veya bir kolye. Bir elektronun kalan kütlesi g'dir, yani. Bir hidrojen atomunun kütlesinden 1837.14 kat daha az. Elektronun kütlesi bir karbon birimidir.

Bohr'un atom modeli.

20. yüzyılın başında, M. Planck A. Einstein, ışığın bir ışık parçacığında bulunmayan bireysel enerji kuantumlarının bir akışı olduğuna göre kuantum ışık teorisini yarattı - fotonlar.
enerji miktarı(E) farklı emisyonlar için farklıdır ve titreşim frekansıyla orantılıdır:
,
h, Planck sabitidir.
M. Planck, atomların radyan enerjiyi yalnızca ayrı, iyi tanımlanmış kısımlarda emdiğini veya yaydığını gösterdi - nicelik.
Klasik mekanik yasasını kuantum teorisi ile ilişkilendirmeye çalışan Danimarkalı bilim adamı N. Bohr, bir hidrojen atomundaki bir elektronun yalnızca belirli - yarıçapları birbiriyle tam sayıların kareleri olarak ilişkili olan sabit yörüngelerde bulunabileceğine inanıyordu. Bu yörüngeler N. Bohr tarafından durağan olarak adlandırıldı.
Enerjinin radyasyonu, yalnızca bir elektron daha uzak bir yörüngeden çekirdeğe daha yakın bir yörüngeye geçtiğinde meydana gelir. Elektron yakın bir yörüngenin acılarından daha uzak bir yörüngeye geçtiğinde, enerji atom tarafından emilir.
, durağan hallerde elektronların enerjileri nerede.
Ei> Ek olduğunda enerji açığa çıkar.
Ei için< Ек энергия поглощается.
Atomdaki elektronların dağılımı sorununun çözümü, elementlerin çizgi spektrumlarının ve kimyasal özelliklerinin incelenmesine dayanır. Hidrojen atomunun spektrumu, N. Bohr teorisini neredeyse tamamen doğruladı. Bununla birlikte, çok elektronlu atomlarda gözlemlenen spektral çizgilerin bölünmesi ve bu bölünmenin manyetik ve elektrik alanlarındaki artışı Bohr'un teorisi ile açıklanamadı.

Elektronun dalga özellikleri.

Klasik fizik yasaları, "parçacık" ve "dalga" kavramlarını birbirine zıttır. Kuantum olarak adlandırılan modern fiziksel teori veya dalga mekaniği, küçük kütleli mikropartiküllerin parçacıklarının hareketinin ve etkileşiminin klasik mekanik yasalarından farklı yasalara göre gerçekleştiğini gösterdi. Bir mikroparçacık, aynı anda bazı cisimciklerin (parçacıkların) bazı özelliklerine ve dalgaların bazı özelliklerine sahiptir. Bir yandan, bir elektron, proton veya başka bir mikroparçacık hareket eder ve örneğin başka bir mikroparçacıkla çarpıştığında bir cisimcik gibi davranır. Öte yandan, bir mikroparçacık hareket ettiğinde, elektromanyetik dalgalara özgü girişim ve kırınım olayları tespit edilir.
Böylece, bir elektronun özelliklerinde (diğer mikropartiküllerde olduğu gibi), hareketinin yasalarında, maddenin, maddenin ve alanın niteliksel olarak farklı iki varoluş biçiminin çözülemezliği ve birbirine bağlılığı kendini gösterir. Bir mikroparçacık, ne sıradan bir parçacık ne de sıradan bir dalga olarak kabul edilemez. Bir mikroparçacık, bir parçacık-dalga ikiliğine sahiptir.
Madde ve alan ilişkisinden bahsederken, her bir maddi parçacığın doğasında belirli bir kütle varsa, görünüşe göre aynı parçacığın belirli bir uzunluğa, bir dalgaya karşılık gelmesi gerektiği sonucuna varılabilir. Soru, kütle ve dalga arasındaki ilişki hakkında ortaya çıkıyor. 1924'te Fransız fizikçi Louis de Broglie, bir dalga sürecinin her hareket eden elektronla (ve genel olarak her hareketli madde parçacığıyla) ilişkili olduğunu ve dalga boyunun cm (m) cinsinden dalga boyunun h Planck sabiti olduğunu öne sürdü. , eşittir erg. sec (), m parçacığın g (kg) cinsinden kütlesidir, parçacığın cm/sn cinsinden hızıdır.
Bu denklemden, durağan bir parçacığın sonsuz büyük bir dalga boyuna sahip olması gerektiği ve dalga boyunun parçacık hızının artmasıyla azaldığı görülebilir. Büyük kütleli hareket eden bir parçacığın dalga boyu çok küçüktür ve henüz deneysel olarak belirlenemez. Bu nedenle, sadece mikropartiküllerin dalga özelliklerinden bahsediyoruz. Bir elektronun dalga özellikleri vardır. Bu, bir atomdaki hareketinin bir dalga denklemi ile tanımlanabileceği anlamına gelir.
Sadece klasik bir parçacık olarak elektron kavramından yola çıkan N. Bohr tarafından oluşturulan hidrojen atomunun yapısının gezegen modeli, elektronun bir takım özelliklerini açıklayamaz. Kuantum mekaniği, gezegenlerin Güneş etrafındaki hareketine benzer şekilde, bir elektronun çekirdeğin etrafında belirli yörüngelerdeki hareketi fikrinin savunulamaz olarak değerlendirilmesi gerektiğini göstermiştir.
Bir dalganın özelliklerine sahip olan bir elektron, hacmi boyunca hareket ederek, bir atomdaki elektronlar için farklı bir şekle sahip olabilen bir elektron bulutu oluşturur. atom hacminin bir veya başka bir bölümündeki bu elektron bulutunun yoğunluğu aynı değildir.

Bir elektronun dört kuantum sayısı ile karakterizasyonu.

Bir elektronun çekirdek alanındaki hareketini belirleyen temel özellik enerjisidir. Bir elektronun enerjisi, bir ışık akısının bir parçacığının enerjisi gibi - bir foton, herhangi birini değil, yalnızca belirli ayrık, süreksiz veya dedikleri gibi nicelenmiş değerleri alır.
Hareket eden bir elektronun uzayda üç derece hareket serbestliği (sırasıyla üç koordinat ekseni) ve elektronun kendi ekseni etrafındaki dönüşünü hesaba katan kendi mekanik ve manyetik momentlerinin varlığından dolayı bir ek serbestlik derecesi vardır. . Sonuç olarak, bir atomdaki bir elektronun durumunun tam enerji özelliği için dört parametreye sahip olmak gerekli ve yeterlidir. Bu parametreler adlandırılmış Kuantum sayıları... Kuantum sayıları, bir elektronun enerjisi gibi, hepsine nüfuz edemez, sadece belirli değerlere nüfuz edebilir. Kuantum sayılarının bitişik değerleri birer birer farklılık gösterir.

Ana kuantum sayısı n, bir elektronun toplam enerji arzını veya enerji seviyesini karakterize eder. Ana kuantum sayısı, 1'den 1'e kadar tamsayı değerleri alabilir. Çekirdek alanındaki bir elektron için, temel kuantum sayısı 1'den 7'ye kadar değerler alabilir (elementin bulunduğu periyodik sistemdeki periyodun sayısına karşılık gelir). Enerji seviyeleri, ana kuantum sayısının değerlerine göre sayılarla veya harflerle gösterilir:

Örneğin, n = 4 ise, elektron atomun çekirdeğinden, enerji düzeyinden veya N düzeyinden başlayarak dördüncü sıradadır.

yörünge kuantum sayısı Bazen yan kuantum sayısı olarak adlandırılan l, belirli bir seviyedeki bir elektronun farklı enerji durumunu karakterize eder. Spektral çizgilerin ince yapısı, her enerji seviyesindeki elektronların alt seviyeler halinde gruplandığını gösterir. Yörünge kuantum sayısı, atomun çekirdeğine göre hareket ettiğinde elektronun açısal momentumu ile ilişkilidir. Yörünge kuantum sayısı ayrıca elektron bulutunun şeklini de belirler.Kuantum sayısı l, 0'dan (n-1)'e kadar tüm tamsayı değerlerini alabilir. Örneğin, n = 4 için l = 0, 1, 2, 3. l'nin her değeri belirli bir alt düzeye karşılık gelir. Alt düzeyler için harf atamaları kullanılır. Böylece, l = 0, 1, 2, 3'te elektronlar sırasıyla s-, p-, d-, f- alt seviyelerinde bulunur. Farklı alt seviyelerin elektronlarına sırasıyla s-, p-, d-, f - elektronları denir. Her bir enerji seviyesi için olası alt seviye sayısı, bu seviyenin sayısına eşittir, ancak dördü geçmez. Birinci enerji seviyesi (n = 1) bir s-alt seviyesinden, ikinci (n = 2), üçüncü (n = 3) ve dördüncü (n = 4) enerji seviyesinden sırasıyla iki (s, p) oluşur. ), üç (s , p, d) ve dört (s, p, d, f) alt düzeyi. Dörtten fazla alt seviye olamaz, çünkü l = 0, 1, 2, 3 değerleri şu anda bilinen 104 elementin atomlarının elektronlarını tanımlar.
Eğer l = 0 (s-elektronlar) ise, elektronun atom çekirdeğine göre açısal momentumu sıfırdır. Bu, ancak elektron çekirdeğin etrafında değil, çekirdekten çevreye ve geriye doğru hareket ederken olabilir. S-elektron bulutu bir top şeklindedir.

Manyetik kuantum sayısı- elektronun momentumunun momenti ile manyetik momenti de ilişkilidir. Manyetik kuantum sayısı, elektronun manyetik momentini karakterize eder. manyetik kuantum sayısı, elektronun manyetik momentini karakterize eder ve elektron bulutunun seçilen yöne veya manyetik alanın yönüne göre yönelimini gösterir. Manyetik kuantum sayısı, - l ila + l aralığında sıfır dahil olmak üzere herhangi bir pozitif ve negatif tamsayı alabilir. Örneğin l = 2 ise 2 l + 1 = 5 değeri vardır (-2, -1, 0, +1, +2). l = 3 için değer sayısı 2 l + 1 = 7 (-3, -2, -1, 0, +1, +2, +3) şeklindedir. 2 l + 1'e eşit olan manyetik kuantum sayısının değer sayısı, belirli bir alt seviyenin elektronlarının olabileceği enerji durumlarının sayısıdır. Böylece, s-elektronlarının sadece bir durumu (2 l + 1 = 1), p-elektronlarının 3 durumu (2 l + 1 = 3), d-, f-elektronlarının sırasıyla 5 ve 7 durumu vardır. Enerji durumları genellikle şematik olarak enerji hücreleri tarafından gösterilir ve bu hücrelerde dikdörtgenler şeklinde ve elektronlar bu hücrelerde oklar şeklinde gösterilir.

Spin kuantum sayısı- bir elektron spininin iç hareketini karakterize eder. Ekseni etrafındaki hareketinden dolayı elektronun içsel manyetik momenti ile ilişkilidir. Bu kuantum sayısı sadece iki değer alabilir: elektron spininin manyetik alanının, elektronun çekirdeğin etrafındaki hareketinin neden olduğu manyetik alana paralel mi yoksa antiparalel mi yönlendirildiğine bağlı olarak + 1/2 ve -1/2.
Aynı kuantum sayıları değerlerine sahip iki elektrona (çift): n, I, ancak zıt yönlü spinlere (↓) eşleştirilmiş veya yalnız elektron çifti denir. Doymamış spinlere () sahip elektronlara eşleşmemiş denir.

Pauli ilkesi, en az enerji ilkesi, Gund kuralı.
Elementlerin atomlarındaki elektronların dağılımı üç ana hükümle belirlenir: Pauli ilkesi, en az enerji ilkesi ve Gund kuralı.

Pauli'nin prensibi.Çok sayıda atom spektrumunu inceleyen İsviçreli fizikçi W. Pauli, 1925'te Pauli ilkesi veya yasağı olarak adlandırılan sonuca vardı: Dört kuantum sayısının tümü için aynı değerlere sahip iki elektron bile olabilir. " Üç kuantum sayısının aynı değerleriyle karakterize edilen elektronların enerji durumları: n, I ve m1, genellikle bir enerji hücresi olarak gösterilir.
Pauli ilkesine göre, bir enerji hücresinde zıt spinli sadece iki elektron olabilir.
Bir enerji hücresinde üçüncü bir elektronun varlığı, ikisinin de dört kuantum sayısının aynı olduğu anlamına gelir. Belirli bir alt seviyedeki olası elektron durumlarının sayısı (Şekil 4), bu alt seviye için manyetik kuantum sayısının değer sayısına eşittir, yani 21+1. Bu alt seviyedeki maksimum elektron sayısı, buna göre. Pauli ilkesine göre 2 (21+1) olacaktır. Böylece, s-alt düzeyinde 2 elektron mümkündür; p-alt seviyesinde 6 elektron vardır; d-alt seviyesinde 10 elektron; f-alt düzeyinde 14 elektron vardır. Herhangi bir seviyedeki olası elektron durumlarının sayısı, temel kuantum sayısının karesine eşittir ve bu seviyedeki maksimum elektron sayısı

En Az Enerji Prensibi.

Bir atomdaki elektronların yerleşim sırası, çekirdekle olan en büyük bağlantılarına karşılık gelmelidir, yani elektron en düşük enerjiye sahip olmalıdır. Bu nedenle, alt seviyede elektronun daha az enerjiye sahip olacağı yerler varsa, bir elektronun üstteki bir enerji seviyesini işgal etmesi gerekli değildir.

Bir elektronun enerjisi esas olarak n ve yörünge / kuantum sayılarının değerleri ile belirlendiğinden, önce kuantum sayılarının n ve / değerlerinin toplamının daha küçük olduğu alt seviyeler doldurulur. Örneğin, 4s alt seviyesindeki (n + / = 4 +0 = 4) enerji beslemesi, 3d'dekinden (n + / = 3 + 2 = 5); 5s (n + / = 5 + 0 = 5) 4d'den az (n + / = 4 + 2 = 6); 5p (n + / = 5 +1 = 6) 4f'den az (n + 1 = 4 + 3 = 7). İki seviye için n ve / değerlerinin toplamı eşitse, önce daha küçük n değerine sahip alt seviye doldurulur, yani aşağıdaki sırayla: 3d-4p-5s.
Yakın alt seviyelerin enerjileri birbirinden çok az farklı olduğunda, bu kuralın bazı istisnaları vardır. Böylece, 5d alt düzeyi, 4f'den önce bir 5dl elektronla doldurulur; 5f'den önce 6d1-2.
Enerji seviyeleri ve alt seviyeler şu sırayla doldurulur: ls → 2s → 2p → 3s → 3p → 4s → 3d → 4p → 5s → 4d → 5p → 6s → (5dl) → 4f → 5d → 6p → 7s → (6d1- 2) → 5f → 6d → 7p

Gund'un kuralı.
Belirli bir alt seviyedeki elektronlar, önce eşleşmemiş "boş" elektronlar şeklinde ayrı bir hücrede bulunur, yani belirli bir I. elektron değerinde, daha sonra her biri bu şekilde ayrı bir hücrede yer alacaktır. :

Atomların elektronik formülleri ve diyagramları.

Dikkate alınan hükümleri dikkate alarak, herhangi bir elementin atomlarındaki elektronların enerji seviyelerine ve alt seviyelerine göre dağılımını hayal etmek kolaydır. Bir atomdaki elektronların bu dağılımı, sözde elektronik formüller biçiminde yazılır. Elektronik formüllerde s, p, d, f harfleri elektronların enerji alt seviyelerini; Harflerin önündeki sayılar, verilen elektronun bulunduğu enerji seviyesini, sağ üstteki alt simge ise verilen alt seviyedeki elektron sayısını gösterir. Örneğin, 5p3 kaydı, beşinci enerji seviyesinin p-alt seviyesinde 3 elektronun bulunduğu anlamına gelir.
Herhangi bir elementin atomunun elektronik formülünü oluşturmak için, bu elementin periyodik tablodaki sayısını bilmek ve atomdaki elektronların dağılımını yöneten temel hükümleri yerine getirmek yeterlidir.
Örneğin, kükürt, kalsiyum, skandiyum, demir ve lantan atomları için elektronik formüller oluşturmanız gerektiğini varsayalım. Periyodik tablodan, sırasıyla 16, 20, 21, 26'ya eşit olan bu elementlerin sayılarını belirleriz. Bu, bu elementlerin atomlarının enerji seviyelerinde ve alt seviyelerinde sırasıyla 16, 20, 21, 26, 57 elektron bulunduğu anlamına gelir. Pauli ilkesini ve en az enerji ilkesini, yani enerji seviyelerini ve alt seviyeleri doldurma sırasını gözlemleyerek, bu elementlerin atomlarının elektronik formüllerini oluşturmak mümkündür:

Bir atomun elektron kabuğunun yapısı, enerji hücrelerinde elektron dağılımının bir diyagramı olarak da gösterilebilir.
Demir atomları için böyle bir şema aşağıdaki gibidir:

Bu diyagram, Gund kuralının yerine getirildiğini açıkça göstermektedir. 3B-alt düzeyde, maksimum hücre sayısı (dört) eşleşmemiş elektronlarla doldurulur. Atomdaki elektron kabuğunun yapısının elektronik formüller ve diyagramlar biçimindeki görüntüsü, elektronun dalga özelliklerini net bir şekilde yansıtmaz. Ancak, her s-, p-, d-, f-elektronun kendi elektron bulutu ile karakterize olduğu unutulmamalıdır. Elektron bulutunun farklı şekli, elektronun belirli bir uzay bölgesinde bir atom bulma olasılığının farklı olduğunu gösterir. Manyetik kuantum sayısı m1'in değerine bağlı olarak elektron bulutunun uzaydaki yönü de farklı olacaktır.

Elektron, maddenin yapısal birimlerinden biri olan temel bir parçacıktır. Sınıflandırmaya göre, bir fermiyon (fizikçi E. Fermi'nin adını taşıyan yarı tamsayılı bir dönüşe sahip bir parçacık) ve bir leptondur (yarım tamsayılı bir dönüşe sahip, güçlü etkileşimlere katılmayan bir parçacık, dörtten biri. fizikte ana). Baryonik, diğer leptonlar gibi sıfırdır.

Yakın zamana kadar elektronun temel, yani bölünmez, yapısız bir parçacık olduğuna inanılıyordu, ancak şimdi bilim adamlarının farklı bir görüşü var. Modern fizikçilere göre bir elektron nelerden oluşur?

isim geçmişi

Antik Yunan'da bile doğa bilimcileri, daha önce yünle ovulmuş kehribarın küçük nesneleri kendine çektiğini, yani elektromanyetik özellikler gösterdiğini fark ettiler. Elektron, adını "kehribar" anlamına gelen Yunanca ἤλεκτρον'dan almıştır. Terim, 1894'te J. Stoney tarafından önerildi, ancak parçacığın kendisi 1897'de J. Thompson tarafından keşfedildi. Bunu tespit etmek zordu, bunun nedeni küçük kütleydi ve elektron yükü bulma deneyinde belirleyici oldu. Parçacığın ilk görüntüleri, Charles Wilson tarafından, modern deneylerde bile kullanılan ve kendi adıyla anılan özel bir kamera kullanılarak elde edildi.

İlginç bir gerçek, elektronun keşfinin ön koşullarından birinin Benjamin Franklin'in ifadesi olmasıdır. 1749'da elektriğin maddi bir madde olduğu hipotezini geliştirdi. Pozitif ve negatif yükler, kapasitör, deşarj, pil ve bir elektrik parçacığı gibi terimlerin ilk kez eserlerinde kullanılmıştır. Elektronun özgül yükünün negatif ve protonun - pozitif olduğu kabul edilir.

Elektronun keşfi

1846'da Alman fizikçi Wilhelm Weber, çalışmalarında "elektrik atomu" kavramını kullanmaya başladı. Michael Faraday, şimdi belki de hala okuldan bilinen "iyon" terimini keşfetti. Alman fizikçi ve matematikçi Julius Plücker, Jean Perrin, İngiliz fizikçi William Crookes, Ernst Rutherford ve diğerleri gibi birçok seçkin bilim adamı elektriğin doğası sorunuyla uğraştı.

Böylece Joseph Thompson ünlü deneyini başarıyla tamamlamadan ve atomdan daha küçük bir parçacığın varlığını kanıtlamadan önce birçok bilim adamı bu alanda çalıştı ve bu devasa çalışmayı yapmasalardı keşif mümkün olmayacaktı.

1906'da Joseph Thompson Nobel Ödülü'nü aldı. Deney aşağıdakilerden oluşuyordu: katot ışınlarının ışınları, bir elektrik alanı oluşturan paralel metal plakalardan geçirildi. Sonra aynı yoldan gitmeleri gerekiyordu, ama bu sefer manyetik alan yaratan bir bobin sisteminden. Thompson, bir elektrik alanının etkisi altında ışınların saptığını ve manyetik bir etki altında da aynı şeyin gözlemlendiğini, ancak bu alanların her ikisi de belirli oranlarda etki ederse katot ışınlarının ışınlarının yörüngelerini değiştirmediğini buldu. parçacıkların hızına bağlıdır.

Hesaplamalardan sonra Thompson, bu parçacıkların hızının ışık hızından önemli ölçüde düşük olduğunu öğrendi, bu da onların kütleleri olduğu anlamına geliyordu. O andan itibaren fizikçiler, maddenin açık parçacıklarının atomun bir parçası olduğuna inanmaya başladılar ve bu daha sonra doğrulandı ve buna "atomun gezegensel modeli" adını verdi.

Kuantum dünyasının paradoksları

Bir elektronun nelerden oluştuğu sorusu, en azından bilimin gelişiminin bu aşamasında oldukça karmaşıktır. Bunu düşünmeden önce, bilim adamlarının bile açıklayamadığı kuantum fiziğinin paradokslarından birine dönmelisiniz. Bu, elektronun ikili doğasını açıklayan ünlü çift yarık deneyidir.

Özü, parçacıkları fırlatan "top" un önüne dikey bir dikdörtgen açıklığa sahip bir çerçevenin yerleştirilmesidir. Arkasında isabet izlerinin görüleceği bir duvar var. Bu nedenle, önce maddenin nasıl davrandığını bulmanız gerekir. Tenis toplarının bir makine tarafından nasıl fırlatıldığını hayal etmenin en kolay yolu. Bazı toplar deliğe düşüyor ve duvardaki vuruş izleri tek bir dikey çizgi oluşturuyor. Belirli bir mesafede aynı türden bir delik daha eklerseniz, izler sırasıyla iki şerit oluşturacaktır.

Böyle bir durumda dalgalar farklı davranır. Duvarda bir dalga ile çarpışmadan izler görüntüleniyorsa, bir delik olması durumunda bir şerit de olacaktır. Ancak, iki yuva durumunda her şey değişir. Deliklerden geçen dalga ikiye bölünür. Dalgalardan birinin üst kısmı diğerinin alt kısmı ile buluşursa, birbirlerini iptal ederler ve duvarda bir girişim deseni belirir (birkaç dikey şerit). Dalgaların kesiştiği yerler iz bırakacak ama karşılıklı baskının olduğu yerler iz bırakmayacak.

İnanılmaz keşif

Bilim adamları, yukarıda açıklanan deneyi kullanarak, dünyaya kuantum ve klasik fizik arasındaki farkı açıkça gösterebilirler. Duvarı elektronlarla bombalamaya başladıklarında, üzerinde olağan dikey iz belirdi: tıpkı tenis topları gibi bazı parçacıklar boşluğa düştü ve bazıları düşmedi. Ancak ikinci delik göründüğünde her şey değişti. İlk başta, fizikçiler elektronların birbirine müdahale ettiğine karar verdiler ve onları birer birer içeri almaya karar verdiler. Bununla birlikte, birkaç saat sonra (hareket eden elektronların hızı hala ışık hızından çok daha düşüktür), girişim deseni yeniden ortaya çıkmaya başladı.

beklenmedik dönüş

Elektron, fotonlar gibi diğer bazı parçacıklarla birlikte bir dalga-parçacık ikiliği sergiler ("kuantum-dalga ikiliği" terimi de kullanılır). Benzer şekilde, hem canlı hem de ölü, elektronun durumu hem parçacık hem de dalga olabilir.

Bununla birlikte, bu deneydeki bir sonraki adım, daha da fazla gizemin ortaya çıkmasına neden oldu: Herkesin bildiği gibi görünen temel bir parçacık, inanılmaz bir sürpriz sundu. Fizikçiler, parçacıkların tam olarak hangi yarıktan geçtiğini ve kendilerini bir dalga olarak nasıl gösterdiklerini kaydetmek için deliklere bir gözlem cihazı yerleştirmeye karar verdiler. Ancak gözlem mekanizması kurulur kurulmaz, duvarda iki deliğe karşılık gelen sadece iki şerit belirdi ve hiçbir girişim deseni yok! "Gözetleme" kaldırılır kaldırılmaz parçacık, sanki artık kimsenin onu izlemediğini biliyormuş gibi tekrar dalga özellikleri sergilemeye başladı.

Başka bir teori

Fizikçi Born, parçacığın kelimenin tam anlamıyla bir dalgaya dönüşmediğini öne sürdü. Elektron bir olasılık dalgası "içerir", girişim resmini veren bu dalgadır. Bu parçacıklar üst üste gelme özelliğine sahiptir, yani belirli bir olasılık derecesi ile herhangi bir yerde olabilirler, bu nedenle böyle bir "dalga" ile birlikte olabilirler.

Bununla birlikte, sonuç açıktır: Bir gözlemcinin varlığı, deneyin sonucunu etkiler. İnanılmaz görünüyor, ancak bu türün tek örneği bu değil. Fizikçiler, nesne en ince alüminyum folyo parçası olduğunda, maddenin daha büyük parçaları üzerinde deneyler yaptılar. Bilim adamları, bazı ölçümlerin yalnızca gerçeğinin nesnenin sıcaklığını etkilediğini kaydetti. Hala bu tür fenomenlerin doğasını açıklayamıyorlar.

Yapı

Fakat bir elektron nelerden oluşur? Şu anda modern bilim bu soruyu cevaplayamıyor. Yakın zamana kadar bölünmez bir temel parçacık olarak kabul edildi, ancak şimdi bilim adamları onun daha da küçük yapılardan oluştuğuna inanmaya meyillidirler.

Bir elektronun özgül yükü de temel olarak kabul edildi, ancak şimdi kesirli bir yüke sahip kuarklar keşfedildi. Bir elektronu neyin oluşturduğuna dair birkaç teori vardır.

Bugün bilim adamlarının bir elektronu bölmeyi başardıklarını iddia eden makaleler görebilirsiniz. Ancak, bu sadece kısmen doğrudur.

Yeni deneyler

Geçen yüzyılın seksenlerinde, Sovyet bilim adamları elektronun üç yarı parçacığa bölünebileceğini öne sürdüler. 1996'da onu spinon ve holona bölmeyi başardılar ve yakın zamanda fizikçi Van den Brink ve ekibi parçacığı spinon ve orbiton olarak ayırdı. Ancak, bölme işlemi ancak özel koşullar altında gerçekleştirilebilir. Deney son derece düşük sıcaklıklarda gerçekleştirilebilir.

Elektronlar, yaklaşık -275 santigrat derece olan mutlak sıfıra "soğuduklarında", pratik olarak dururlar ve sanki tek bir parçacıkta birleşiyormuş gibi kendi aralarında maddeye benzer bir şey oluştururlar. Bu koşullar altında fizikçiler elektronu oluşturan yarı parçacıkları gözlemlemeyi başarır.

bilgi taşıyıcıları

Elektronun yarıçapı çok küçüktür, 2.81794'tür. 10 -13 cm, ancak bileşenlerinin çok daha küçük olduğu ortaya çıkıyor. Bir elektronu "bölmenin" mümkün olduğu üç parçanın her biri, onun hakkında bilgi taşır. Orbiton, adından da anlaşılacağı gibi, bir parçacığın yörünge dalgası hakkında veriler içerir. Spinon, elektronun dönüşünden sorumludur ve holon bize yükü anlatır. Böylece fizikçiler, yüksek derecede soğutulmuş maddedeki elektronların farklı durumlarını ayrı ayrı gözlemleyebilirler. "Holon-spinon" ve "spinon-orbiton" çiftlerini izlemeyi başardılar, ancak üçünü bir arada değil.

Yeni teknolojiler

Elektronu keşfeden fizikçiler, keşiflerinin uygulamaya konana kadar birkaç on yıl beklemek zorunda kaldılar. Günümüzde teknolojiler birkaç yıl sonra kullanılmaya başlandı, sadece grafeni hatırlayın - tek katmanda karbon atomlarından oluşan inanılmaz bir malzeme. Elektron bölünmesi nasıl faydalı olacak? Bilim adamları, kendi görüşlerine göre, en güçlü modern bilgisayarlarınkinden birkaç on kat daha yüksek olan hızın yaratılmasını tahmin ediyorlar.

Kuantum bilgisayar teknolojisinin sırrı nedir? Bu basit bir optimizasyon olarak adlandırılabilir. Tanıdık bir bilgisayarda, en küçük, bölünmez bilgi parçası birazdır. Ve eğer veriyi görsel bir şey olarak kabul edersek, o zaman bir makine için sadece iki seçenek vardır. Bir bit, sıfır veya bir, yani ikili kodun parçalarını içerebilir.

Yeni yöntem

Şimdi, bir bitin hem sıfır içerdiğini hem de birin "kuantum biti" veya "kübit" olduğunu düşünelim. Basit değişkenlerin rolü elektronun dönüşü ile oynanacaktır (saat yönünde veya saat yönünün tersine dönebilir). Basit bir bitin aksine, bir kübit aynı anda birkaç işlevi yerine getirebilir, bu nedenle işin hızı artacaktır, elektronun küçük kütlesi ve yükü burada önemli değildir.

Bu labirent örneğiyle açıklanabilir. Bundan kurtulmak için, yalnızca biri doğru olacak birçok farklı seçeneği denemeniz gerekir. Geleneksel bir bilgisayar sorunları hızla çözse de, aynı anda yalnızca bir sorun üzerinde çalışabilir. Tüm seçenekleri tek tek gözden geçirecek ve sonunda bir çıkış yolu bulacaktır. Bir kuantum bilgisayar, küpün dualitesi sayesinde aynı anda birçok problemi çözebilir. Tüm olası seçenekleri sırayla değil, zaman içinde tek bir noktada gözden geçirecek ve aynı zamanda sorunu çözecektir. Şimdiye kadarki zorluk, sadece bir problem üzerinde birçok kuantanın çalışmasını sağlamaktır - bu, yeni nesil bir bilgisayarın temeli olacaktır.

Başvuru

Çoğu insan ev düzeyinde bir bilgisayar kullanır. Şimdiye kadar, sıradan PC'ler bununla mükemmel bir iş çıkardı, ancak binlerce, belki de yüz binlerce değişkene bağlı olayları tahmin etmek için makinenin çok büyük olması gerekir. Aylık hava durumu tahmini, afet verilerini işleme ve tahmin etme ve birçok değişkenle karmaşık matematiksel hesaplamaları bir saniyeden kısa bir sürede yapma gibi, tümü birkaç atom büyüklüğünde bir işlemciyle kolayca halledebilir. Dolayısıyla çok yakında en güçlü bilgisayarlarımız bir kağıt parçası kadar ince olabilir.

sağlığı korumak

Kuantum bilgisayar teknolojisi tıbba büyük katkı sağlayacak. İnsanlık güçlü potansiyele sahip nanomekanizmalar yaratabilecek, onların yardımıyla sadece tüm vücuda içeriden bakarak hastalıkları teşhis etmek değil, aynı zamanda ameliyatsız tıbbi bakım sağlamak da mümkün olacak: "beyni olan en küçük robotlar". "Mükemmel bir bilgisayarın tüm işlemlerini yapabilecektir.

Bilgisayar oyunları alanında bir devrim kaçınılmazdır. Sorunları anında çözebilen güçlü makineler, inanılmaz gerçekçi grafiklerle oyunlar oynayabilecek ve tamamen sürükleyici bilgisayar dünyaları hemen köşede.

Elektron, maddenin yapısındaki ana birimlerden biri olan temel bir parçacıktır. Elektron yükü negatiftir. En doğru ölçümler yirminci yüzyılın başlarında Milliken ve Joffe tarafından yapılmıştır.

Elektron yükü eksi 1.602176487 (40) * 10 -1 9 C'ye eşittir.

Bu değer sayesinde diğer en küçük parçacıkların elektrik yükü ölçülür.

Elektronun genel konsepti

Parçacık fiziğinde elektronun bölünemez olduğu ve yapısı olmadığı söylenir. Elektromanyetik ve yerçekimi süreçlerinde yer alır, tıpkı antiparçacığı - pozitron gibi lepton grubuna aittir. Diğer leptonlar arasında en hafif ağırlığa sahiptir. Elektronlar ve pozitronlar çarpışırsa, bu onların yok olmasına yol açar. Böyle bir çift, parçacıkların gama ışını kuantumundan ortaya çıkabilir.

Nötrinolar ölçülmeden önce, en hafif parçacık olarak kabul edilen elektrondu. Kuantum mekaniğinde buna fermiyonlar denir. Ayrıca, elektronun manyetik bir momenti vardır. Bir pozitron da ona atıfta bulunulursa, pozitron pozitif yüklü bir parçacık olarak bölünür ve elektron, negatif yüklü bir parçacık olarak bir negatron olarak adlandırılır.

«>

Elektronların seçilmiş özellikleri

Elektronlar, parçacık ve dalga özelliklerine sahip birinci nesil leptonlara aittir. Her biri, enerji, dönüş yönü ve diğer parametreler ölçülerek belirlenen bir kuantum durumuna sahiptir. Fermiyonlara ait olduğu, (Pauli ilkesine göre) bir kuantum durumunda aynı anda iki elektron bulmanın imkansızlığıyla ortaya çıkar.

Etkili kütlenin hareketsiz kütleden önemli ölçüde farklı olabileceği periyodik bir kristal potansiyelindeki bir kuasipartikül ile aynı şekilde incelenir.

Elektronların hareketi ile elektrik akımı, manyetizma ve termo EMF oluşur. Hareket halindeki bir elektronun yükü bir manyetik alan oluşturur. Bununla birlikte, dış manyetik alan, parçacığı ileri yönden saptırır. Hızlandırıldığında, bir elektron bir foton olarak enerjiyi emme veya yayma yeteneğini kazanır. Seti, sayısı ve konumu kimyasal özellikleri belirleyen elektronik atom kabuklarından oluşur.

Atom kütlesi esas olarak nükleer protonlardan ve nötronlardan oluşurken, elektronların kütlesi toplam atom ağırlığının %0.06'sı kadardır. Coulomb'un elektrik kuvveti, bir elektronu çekirdeğe yakın tutabilen ana kuvvetlerden biridir. Ancak atomlardan moleküller oluşturulduğunda ve kimyasal bağlar ortaya çıktığında, elektronlar yeni oluşan uzayda yeniden dağıtılır.

Nükleonlar ve hadronlar elektronların ortaya çıkmasında rol oynarlar. Radyoaktif özelliklere sahip izotoplar elektron yayabilir. Laboratuvar koşullarında bu parçacıklar özel cihazlarda incelenebilir ve örneğin teleskoplar plazma bulutlarında onlardan gelen radyasyonu algılayabilir.

Açılış

Elektron, on dokuzuncu yüzyılda Alman fizikçiler tarafından ışınların katodik özelliklerini inceledikleri zaman keşfedildi. Sonra diğer bilim adamları onu daha ayrıntılı olarak incelemeye başladılar ve onu ayrı bir parçacık rütbesine getirdiler. Radyasyon ve diğer ilgili fiziksel olaylar incelenmiştir.

Örneğin, Thomson liderliğindeki bir grup, elektron yükünü ve katot ışınlarının kütlesini hesapladılar, ki bunların oranları, buldukları gibi, malzeme kaynağına bağlı değildi.
Becquerel, minerallerin kendi kendilerine radyasyon yaydıklarını ve beta ışınlarının bir elektrik alanının etkisiyle saptırılabildiğini ve kütle ile yükün katot ışınlarıyla aynı oranı koruduğunu keşfetti.

Atomik teori

Bu teoriye göre, bir atom, bir bulut şeklinde düzenlenmiş bir çekirdek ve etrafındaki elektronlardan oluşur. Bunlar, değişimine fotonların absorpsiyon veya emisyon sürecinin eşlik ettiği belirli nicelenmiş enerji durumlarındadırlar.

Kuantum mekaniği

Yirminci yüzyılın başında, maddi parçacıkların hem uygun parçacıkların hem de dalgaların özelliklerine sahip olduğuna göre bir hipotez formüle edildi. Ayrıca ışık kendisini bir dalga (de Broglie dalgası olarak adlandırılır) ve parçacıklar (fotonlar) şeklinde gösterebilir.

Sonuç olarak, elektron dalgalarının yayılmasını tanımlayan ünlü Schrödinger denklemi formüle edildi. Bu yaklaşıma kuantum mekaniği denir. Hidrojen atomundaki enerjinin elektronik durumlarını hesaplamak için kullanıldı.

Elektronun temel ve kuantum özellikleri

Parçacık, temel ve kuantum özellikleri sergiler.

Temel olanlar kütle (9.109 * 10 -31 kilogram), temel bir elektrik yükü (yani, yükün minimum kısmı) içerir. Şimdiye kadar yapılan ölçümlere göre elektronun alt yapısını ortaya çıkarabilecek hiçbir elemente rastlanmamıştır. Ancak bazı bilim adamları, bunun nokta yüklü bir parçacık olduğu görüşündedir. Yazının başında belirtildiği gibi bir elektronik elektrik yükü -1,602*10 -19 C'dir.

«> Bir parçacık olan elektron, aynı anda bir dalga olabilir. İki yarıkla yapılan deney, her ikisinden de aynı anda geçme olasılığını doğrular. Bu, her seferinde yalnızca bir yarıktan geçmenin mümkün olduğu parçacığın özellikleriyle çelişir.

Elektronların aynı fiziksel özelliklere sahip olduğuna inanılmaktadır. Bu nedenle, kuantum mekaniği açısından yeniden düzenlenmeleri, sistem durumunda bir değişikliğe yol açmaz. Elektronların dalga fonksiyonu antisimetriktir. Bu nedenle, özdeş elektronlar aynı kuantum durumuna girdiğinde çözümleri yok olur (Pauli ilkesi).

Elektron. Elektronun oluşumu ve yapısı. Elektron manyetik monopol.

(devam)

Bölüm 4. Elektronun yapısı.

4.1. Bir elektron, yalnızca iki süper yoğunlaştırılmış (yoğunlaştırılmış, konsantre) alandan oluşan iki bileşenli bir parçacıktır - elektrik alanı-eksi ve manyetik alan-N. Burada:

a) bir elektronun yoğunluğu Doğada mümkün olan maksimumdur;

b) elektronun boyutu (D = 10 -17 cm ve daha az) - Doğada minimal;

c) enerjiyi en aza indirme gerekliliğine uygun olarak, tüm parçacıklar - elektronlar, pozitronlar, kesirli yüklü parçacıklar, protonlar, nötronlar, vb. küresel bir şekle sahip olmalıdır (ve sahip olmalıdır);

d) bilinmeyen nedenlerle, "ana" fotonun enerjisinden bağımsız olarak, kesinlikle tüm elektronlar (ve pozitronlar) parametrelerinde kesinlikle aynı doğarlar (örneğin, kesinlikle tüm elektronların ve pozitronların kütlesi 0,511 MeV'dir).

4.2. “Bir elektronun manyetik alanının, kütlesi ve yükü ile aynı doğal özellik olduğu güvenilir bir şekilde tespit edilmiştir. Tüm elektronların manyetik alanları, kütleleri ve yükleri aynı olduğu gibi aynıdır. ”(C) Bu, elektronun kütlesinin ve yükünün denkliği hakkında kesin bir sonuca varmayı otomatik olarak mümkün kılar, yani: elektronun kütlesi yükün eşdeğeridir ve tam tersi - elektronun yükü kütlenin eşdeğeridir (pozitron için - benzer şekilde).

4.3. Belirtilen eşdeğerlik özelliği, kuarkların temeli olan kesirli yüklere (+2/3) ve (-1/3) sahip parçacıklar için de geçerlidir. Yani: bir pozitronun, elektronun ve tüm kesirli parçacıkların kütlesi, yüklerinin eşdeğeridir ve bunun tersi - bu parçacıkların yükleri kütlenin eşdeğeridir. Bu nedenle, bir elektronun, pozitronun ve tüm kesirli parçacıkların özgül yükü aynıdır (const) ve 1.76 * 10'a eşittir. 11 cl / kg.

4.4. Temel bir enerji kuantumu otomatik olarak temel bir kütle kuantumu olduğundan, bir elektronun kütlesi (1/3 ve 2/3 kesirli parçacıkların varlığı dikkate alındığında), üç negatif kütlenin katları olan değerlere sahip olmalıdır. yarı-kuanta. (Ayrıca bkz. "Foton. Foton yapısı. Hareket ilkesi. Bölüm 3.4.)"

4.5. Birçok nedenden dolayı bir elektronun iç yapısını belirlemek çok zordur; bununla birlikte, en azından ilk yaklaşımda, bir elektronun iç yapısı üzerindeki iki bileşenin (elektriksel ve manyetik) etkisini dikkate almak oldukça ilgi çekicidir. . Bkz. 7.

Seçenek numarası 1. Negatif yarı-kuanta yapraklarının her çifti, daha sonra bir elektron oluşturan "mikroelektronlar" oluşturur. Bu durumda, "mikroelektron" sayısı üçün katı olmalıdır.

Seçenek numarası 2. Bir elektron, elektrik (-) ve manyetik (N) olmak üzere iki yerleşik bağımsız yarım küre monopolden oluşan iki bileşenli bir parçacıktır.

Seçenek numarası 3. Elektron, elektrik ve manyetik olmak üzere iki monopolden oluşan iki bileşenli bir parçacıktır. Bu durumda, elektronun merkezinde küresel bir manyetik monopol bulunur.

Seçenek numarası 4. Diğer seçenekler.

Görünüşe göre, elektrik (-) ve manyetik alanlar (N) elektronun içinde sadece kompakt monopoller şeklinde değil, aynı zamanda homojen bir madde şeklinde de var olabildiğinde, yani neredeyse bir tane oluşturduğunda seçenek düşünülebilir. yapısız? kristal? homojen? parçacık. Ancak, bu oldukça tartışmalıdır.

4.6. Göz önünde bulundurulması önerilen seçeneklerin her birinin kendi avantajları ve dezavantajları vardır, örneğin:

a) Seçenekler # 1. Bu tasarımın elektronları, kütlesi ve yükü 1/3'ün katı olan kesirli parçacıkları sakince oluşturmayı mümkün kılar, ancak aynı zamanda elektronun kendi manyetik alanını açıklamayı zorlaştırır.

b) Seçenek numarası 2. Bu elektron, bir atomun çekirdeği etrafında hareket ederken, elektrik monopolü ile sürekli olarak çekirdeğe doğru yönlendirilir ve bu nedenle ekseni etrafında sadece iki dönüş varyantına sahip olabilir - saat yönünde veya saat yönünün tersine (Pauli ban?), vb.

4.7. Bu (veya yeni önerilen) seçenekler göz önüne alındığında, elektronun gerçek özelliklerini ve özelliklerini dikkate almak ve ayrıca bir dizi zorunlu gereksinimi dikkate almak zorunludur, örneğin:

- bir elektrik alanının varlığı (yük);

- bir manyetik alanın varlığı;

- bazı parametrelerin denkliği, örneğin: bir elektronun kütlesi yüküne eşittir ve bunun tersi de geçerlidir;

- kütle ve yük katları 1/3 olan kesirli parçacıklar oluşturma yeteneği;

- bir dizi kuantum sayısı, dönüş vb. varlığı

4.8. Elektron, bir yarısı (1/2) yoğunlaştırılmış bir elektrik alanı-eksi (elektrik monopol-eksi) ve diğer yarısı (1/2) bir yoğun manyetik alan (manyetik monopol) olan iki bileşenli bir parçacık olarak ortaya çıktı. -N). Ancak unutulmamalıdır ki:

- belirli koşullar altında elektrik ve manyetik alanlar birbirini üretebilir (birbirine dönüşebilir);

- bir elektron tek bileşenli bir parçacık olamaz ve eksi alanın %100'ünden oluşur, çünkü tek yüklü bir eksi alan itici kuvvetler nedeniyle bozunacaktır. Bu nedenle elektronun içinde manyetik bir bileşenin varlığı gereklidir.

4.9. Ne yazık ki, bu çalışmada önerilen seçeneklerin tüm avantaj ve dezavantajlarının tam bir analizini yapmak ve elektronun iç yapısı için tek doğru seçeneği seçmek mümkün değildir.

Bölüm 5. “Elektronun dalga özellikleri”.

5.1. “1924'ün sonunda. elektromanyetik radyasyonun kısmen dalgalar gibi ve kısmen parçacıklar gibi davrandığı bakış açısı genel olarak kabul edildi ... Ve o sırada yüksek lisans öğrencisi olan Fransız Louis de Broglie doğdu. parlak bir düşünce: aynı şey maddeler için neden olmasın? Louis de Broglie, Einstein'ın ışık dalgaları üzerinde yaptığının tersini parçacıklar üzerinde yaptı. Einstein elektromanyetik dalgaları ışık parçacıklarıyla ilişkilendirdi; de Broglie, parçacıkların hareketini, maddenin dalgaları olarak adlandırdığı dalgaların yayılmasıyla ilişkilendirdi. De Broglie'nin hipotezi, ışık ışınlarının ve madde parçacıklarının davranışını tanımlayan denklemlerin benzerliğine dayanıyordu ve tamamen teorikti. Bunu doğrulamak veya çürütmek için deneysel gerçekler gerekliydi. ”(C)

5.2. “1927'de Amerikalı fizikçiler K. Davisson ve K. Jermer, elektronların bir nikel kristalinin yüzeyinden belirli yansıma açılarında “yansıtıldığında” maksimumların ortaya çıktığını keşfettiler. Benzer veriler (maksimumların görünümü), kristal yapılar tarafından ışınların X-ışını dalgalarının kırınımının gözlemlenmesinden zaten mevcuttu. Bu nedenle, yansıyan elektron ışınlarındaki bu maksimumların görünümü, dalga kavramı ve kırınımları temelinde başka bir şekilde açıklanamazdı. Böylece parçacıkların - elektronların (ve de Broglie'nin hipotezinin) dalga özellikleri deneysel olarak kanıtlanmıştır. ”(C)

5.3. Bununla birlikte, bu çalışmada açıklanan bir fotonda parçacık özelliklerinin ortaya çıkma sürecinin dikkate alınması (bkz. Şekil 5.), oldukça açık sonuçlar çıkarmamızı sağlar:

a) dalga boyu 10'dan azaldıkça -4 10'a kadar - 10 (C) (C) (C) (C) (C) fotonun elektrik ve manyetik alanlarının yoğunlaştığını görün

(C) (C) (C) (C) (C) (C) (C) (C) (C) (C) b) elektrik ve manyetik alanlar daha yoğun hale geldiğinde, “ayıran çizgi” hızla azalmaya başlar. alanların "yoğunluğunu" arttırır ve zaten X-ışını aralığında, alan yoğunluğu "sıradan" bir parçacığın yoğunluğu ile orantılıdır.

c) bu nedenle, X-ışını fotonu bir engelle etkileşime girdiğinde artık engelden bir dalga olarak yansıtılmaz, ancak bir parçacık olarak ondan sıçramaya başlar.

5.4. Yani:

a) Zaten yumuşak X-ışınları aralığında, fotonların elektromanyetik alanları o kadar yoğun hale geldi ki, içlerinde dalga özelliklerini tespit etmek çok zor. Alıntı: "Bir fotonun dalga boyu ne kadar kısa olursa, içindeki bir dalganın özelliklerini tespit etmek o kadar zor olur ve bir parçacığın özellikleri o kadar güçlü bir şekilde kendini gösterir."

b) Sert X-ışını ve gama aralığında, fotonlar yüzde yüz parçacıklar gibi davranır ve içlerindeki dalga özelliklerini tespit etmek neredeyse imkansızdır. Yani: X-ışını ve gama-foton, dalganın özelliklerini tamamen kaybeder ve yüzde yüz parçacığa dönüşür. Alıntı: "X-ışını ve gama aralığındaki kuantaların enerjisi o kadar büyüktür ki, radyasyon neredeyse yüzde yüz bir parçacık akışı gibi davranır" (c).

c) bu nedenle, bir kristalin yüzeyinden bir X-ışını fotonunun saçılması üzerine yapılan deneylerde, artık gözlemlenen bir dalga değil, kristalin yüzeyinden yansıyan ve kristalin yapısını tekrarlayan sıradan bir parçacıktı. kristal kafes.

5.5. K. Davisson ve K. Dzhermer'in deneylerinden önce, X-ışını dalgalarının kristal yapılar üzerindeki kırınımının gözlemlenmesine ilişkin deneysel veriler zaten vardı. Bu nedenle, bir nikel kristali üzerinde elektron saçılması deneylerinde benzer sonuçlar elde ettikten sonra, elektrona otomatik olarak dalga özellikleri atfettiler. Bununla birlikte, bir elektron gerçek bir durgun kütleye, boyutlara vb. sahip olan "katı" bir parçacıktır. Bir foton dalgası gibi davranan bir elektron parçacığı değildir, ancak bir X-ışını fotonu tüm bir parçacığın özellikleri. Elektron engelden foton olarak yansımaz, X-ışını fotonu engelden parçacık olarak yansır.

5.6. Bu nedenle: elektron (ve diğer parçacıklar) herhangi bir "dalga özelliğine" sahip değildi ve olamaz ve olamaz. Ve bu durumu değiştirmek için fırsatlar bir yana, hiçbir ön koşul da yoktur.

Bölüm 6. Sonuçlar.

6.1 Elektron ve pozitron, varlığı kuarkların, protonların, hidrojenin ve periyodik tablonun diğer tüm elementlerinin görünümünü belirleyen ilk ve temel parçacıklardır.

6.2. Tarihsel olarak, bir parçacık elektron olarak adlandırıldı ve ona eksi işareti (madde) atanırken, diğerine pozitron adı verildi ve artı işareti (antimadde) atandı. "Bir elektronun elektrik yükünün, elektrikli kehribar yükünü negatif olarak adlandırmak için daha önceki bir anlaşmaya göre negatif olarak kabul edilmesi kararlaştırıldı" (c).

6.3. Bir elektron sadece bir pozitron ile bir çiftte görünebilir (görünür = doğabilir) (bir elektron bir pozitron çiftidir). Doğada en az bir "eşlenmemiş" (tek) elektron veya pozitronun ortaya çıkması, yükün korunumu yasasının, maddenin genel elektronötralitesinin ihlalidir ve teknik olarak imkansızdır.

6.4. Yüklü bir parçacığın Coulomb alanında bir elektron-pozitron çiftinin oluşumu, bir fotonun temel kuantumunun uzunlamasına yönde iki bileşene bölünmesinden sonra gerçekleşir: negatif - ondan bir eksi parçacığın (elektron) oluştuğu ve pozitif - artı parçacık (pozitron) oluşur. Elektriksel olarak nötr bir fotonun boyuna doğrultuda iki parçaya bölünmesi, kütle olarak kesinlikle eşit, ancak yükler (ve manyetik alanlar) bakımından farklı, bir fotonun, yükün korunumu yasalarından vb. kaynaklanan doğal bir özelliğidir. "İçinde", önemsiz miktarlarda bile "artı-parçacıklar" olan bir elektron ve pozitronun "içinde" - "parçacıklar-eksi" - hariç tutulur. Ayrıca elektron ve proton içindeki ana fotonun elektriksel olarak nötr "parçacıklarının" (hurdalar, parçalar, artıklar vb.) varlığını da dışlar.

6.5. Bilinmeyen nedenlerden dolayı, kesinlikle tüm elektronlar ve pozitronlar, referans "maksimum-minimum" parçacıklarla doğarlar (yani, daha büyük olamazlar ve kütle, yük, boyut ve diğer özellikler bakımından daha küçük olamazlar). Elektromanyetik fotonlardan daha küçük veya daha büyük parçacıkların - artı (pozitronlar) ve eksi parçacıkların (elektronlar) oluşumu hariç tutulur.

6.6. Bir elektronun iç yapısı, görünüşünün sırası ile açık bir şekilde önceden belirlenir: bir elektron, %50 yoğunlaştırılmış bir elektrik alanı eksi (elektrik monopol-eksi) olan iki bileşenli bir parçacık olarak oluşturulur ve %50 yoğunlaştırılmış bir elektrik alanıdır. manyetik alan (manyetik monopol-N). Bu iki monopol, aralarında karşılıklı çekim (kohezyon) kuvvetlerinin ortaya çıktığı farklı yüklere sahip parçacıklar olarak kabul edilebilir.

6.7. Manyetik monopoller mevcuttur, ancak serbest biçimde değil, yalnızca bir elektron ve bir pozitronun bileşenleri olarak bulunur. Bu durumda, manyetik monopol (N) elektronun ayrılmaz bir parçasıdır ve manyetik monopol (S) pozitronun ayrılmaz bir parçasıdır. Bir elektronun "içinde" bir manyetik bileşenin varlığı gereklidir, çünkü yalnızca bir manyetik monopol (N), tek yüklü bir elektrik monopolü eksi ile güçlü (ve benzeri görülmemiş bir güçte) bağlantı oluşturabilir.

6.8. Elektronlar ve pozitronlar en yüksek kararlılığa sahiptir ve bozunması teorik ve pratik olarak imkansız olan parçacıklardır. Bölünemezler (yük ve kütle bakımından), yani: bir elektronun veya pozitronun kendiliğinden (veya zorla) birkaç kalibre edilmiş veya "farklı büyüklükte" parçaya bölünmesi hariçtir.

6.9. Bir elektron sonsuzdur ve eşit büyüklükte, ancak zıt işaretli (pozitron) elektrik ve manyetik yüklere sahip başka bir parçacıkla karşılaşana kadar "kaybolamaz".

6.10. Elektromanyetik dalgalardan yalnızca iki standart (kalibre edilmiş) parçacık ortaya çıkabileceğinden: bir elektron ve bir pozitron, bunların temelinde yalnızca standart kuarklar, protonlar ve nötronlar görünebilir. Bu nedenle, bizim ve diğer tüm evrenlerin tüm görünür (baryonik) maddesi, aynı kimyasal elementlerden (periyodik tablo) ve "bizim" yasalarımıza benzer şekilde her yerde işleyen tek biçimli fiziksel sabitler ve temel yasalardan oluşur. "Diğer" temel parçacıkların ve "diğer" kimyasal elementlerin sonsuz uzayın herhangi bir noktasındaki görünümü hariç tutulur.

6.11. Evrenimizdeki tüm görünür madde, olası tek şemaya göre fotonlardan (muhtemelen mikrodalga aralığında) oluşturuldu: foton → elektron-pozitron çifti → kesirli parçacıklar → kuarklar, gluon → proton (hidrojen). Bu nedenle, Evrenimizin tüm "katı" maddesi (Homo sapiens dahil), yoğunlaştırılmış bir elektrik ve manyetik foton alanıdır. Kozmos'ta oluşumu için başka hiçbir "konu" yoktu ve olamaz.

not Elektron tükenmez mi?

Özellikler

Elektron yükü bölünemez ve −1.602176565 (35) 10 −19 C'ye (veya СГСМ sisteminde −4.80320427 (13) . СГСМ); ilk önce doğrudan deneylerde ölçüldü ( İngilizce) A.F. Ioffe (1911) ve R. Milliken (1912). Bu değer, diğer temel parçacıkların elektrik yükünü ölçmek için bir birim görevi görür (elektron yükünün aksine, temel yük genellikle pozitif bir işaretle alınır). Bir elektronun kütlesi 9.10938291 (40) · 10 −31 kg'dır.

Kg bir elektronun kütlesidir.

Cl elektron yüküdür.

C / kg bir elektronun özgül yüküdür.

Birimlerde bir elektronun dönüşü

Temel parçacık fiziğinin modern kavramlarına göre, elektron bölünemez ve yapısızdır (en az 10 −17 cm mesafeye kadar). Elektron zayıf, elektromanyetik ve yerçekimi etkileşimlerine katılır. Lepton grubuna aittir ve (karşıt parçacığı olan pozitron ile birlikte) yüklü leptonların en hafifidir. Nötrino kütlesinin keşfinden önce, elektron büyük kütleli parçacıkların en hafifi olarak kabul edildi - kütlesi protonun kütlesinden yaklaşık 1836 kat daha azdır. Elektron dönüşü 1/2'dir ve bu nedenle elektron fermiyonlara aittir. Spinli herhangi bir yüklü parçacık gibi, bir elektronun manyetik bir momenti vardır ve manyetik moment, normal bir parçaya ve anormal bir manyetik momente bölünür. Bazen hem elektronların kendilerine hem de pozitronlara elektron denir (örneğin, onları genel bir elektron-pozitron alanı olarak düşünürsek, Dirac denkleminin bir çözümü). Bu durumda negatif yüklü elektrona negatron, pozitif yüklü elektrona pozitron denir. [ kaynak belirtilmedi 120 gün]

Kristalin periyodik potansiyelinde bulunan elektron, etkin kütlesi elektron kütlesinden önemli ölçüde farklı olabilen bir yarı parçacık olarak kabul edilir.

Serbest bir elektron, bir fotonu saçmasına rağmen ememez (bkz. Compton etkisi).

Etimoloji ve keşif tarihi

"Elektron" adı, "kehribar" anlamına gelen Yunanca ἤλεκτρον kelimesinden gelir: antik Yunanistan'da bile doğa bilimciler deneyler yaptılar - kehribar parçaları yünle ovuldu, ardından küçük nesneleri kendilerine çekmeye başladılar. Elektrokimyadaki temel bölünmez yük biriminin adı olarak "elektron" terimi J. J. Stoney tarafından önerildi ( İngilizce) 1894'te (ünite kendisi tarafından 1874'te tanıtıldı). Elektronun bir parçacık olarak keşfi, 1897'de katot ışınları için yükün kütleye oranının kaynağın malzemesine bağlı olmadığını belirleyen E. Wichert ve J.J. Thomson'a aittir. (bkz: elektronun keşfi)

Dalga özelliklerinin keşfi... De Broglie'nin (1924) hipotezine göre, elektron (diğer tüm maddi mikro nesneler gibi) sadece korpüsküler değil, aynı zamanda dalga özelliklerine de sahiptir. Relativistik olmayan bir elektronun de Broglie dalga boyu, elektronun hızıdır. Buna göre, ışık gibi elektronlar da girişim ve kırınım yaşayabilir. Elektronların dalga özellikleri, 1927'de Amerikalı fizikçiler K. Davisson ve L. Jermer (Davisson-Jermer deneyi) ve bağımsız olarak İngiliz fizikçi J.P. Thomson tarafından deneysel olarak keşfedildi.

kullanım

Düşük enerjili elektron kaynaklarının çoğu, termiyonik emisyon ve fotoelektron emisyonu fenomenini kullanır. Enerjileri birkaç keV ile birkaç MeV arasında değişen yüksek enerjili elektronlar, beta bozunması ve radyoaktif çekirdeklerin içsel dönüşümü süreçlerinde yayılır. Beta bozunmasında yayılan elektronlara bazen beta parçacıkları veya beta ışınları denir. Hızlandırıcılar, daha yüksek enerjili elektron kaynakları olarak hizmet eder.

Metallerde ve yarı iletkenlerde elektronların hareketi, enerjinin aktarılmasını ve kontrol edilmesini kolaylaştırır; modern uygarlığın temellerinden biridir ve endüstride, iletişimde, bilgisayar bilimlerinde, elektronikte ve günlük yaşamda hemen hemen her yerde kullanılır. Elektronların iletkenlerdeki sürüklenme hızı çok düşüktür (~ 0.1-1 mm/s), ancak elektrik alanı ışık hızında yayılır. Bu bağlamda, tüm devredeki akım neredeyse anında kurulur.

Örneğin lineer hızlandırıcılarda yüksek enerjilere hızlandırılan elektron ışınları, atom çekirdeğinin yapısını ve temel parçacıkların doğasını incelemek için ana araçlardan biridir. Elektron ışınlarının daha sıradan uygulamaları, katot ışın tüplü (CRT'ler) televizyonlar ve monitörlerdir. Elektron mikroskobu, elektron ışınlarının elektronik optik yasalarına uyma yeteneğinden de yararlanır. Transistörlerin icadından önce, neredeyse tüm radyo mühendisliği ve elektroniği, elektronların vakumdaki hareketinin elektrik (bazen manyetik) alanlarla kontrol edildiği vakumlu elektronik tüplere dayanıyordu. Elektrovakum cihazları (EVP) günümüzde sınırlı ölçüde kullanılmaya devam etmektedir; en yaygın uygulamalar mikrodalga jeneratörlerindeki magnetronlar ve televizyon ve monitörlerdeki yukarıda bahsedilen katot ışın tüpleridir (CRT'ler).

Bir yarı parçacık olarak elektron

Bir elektron periyodik bir potansiyeldeyse, hareketi bir kuasipartikülün hareketi olarak kabul edilir. Durumları bir yarı dalga vektörü ile tanımlanır. İkinci dereceden bir dağılım yasası durumunda ana dinamik özellik, serbest elektronun kütlesinden önemli ölçüde farklı olabilen ve genel durumda bir tensör olan etkin kütledir.

Elektron ve Evren

Evrendeki her 100 nükleondan 87'sinin proton ve 13'ünün nötron olduğu bilinmektedir (ikincisi esas olarak helyum çekirdeğinin bir parçasıdır). Maddenin genel nötrlüğünü sağlamak için proton ve elektron sayısı aynı olmalıdır. Esas olarak nükleonlardan oluşan baryonik kütlenin (optik yöntemlerle gözlemlenen) yoğunluğu iyi bilinmektedir (0,4 metreküp başına bir nükleon). Gözlemlenebilir Evren'in yarıçapı (13.7 milyar ışıkyılı) dikkate alındığında, bu hacimdeki elektron sayısının ~ 10 80 olduğu hesaplanabilir ki bu, büyük Dirac sayılarıyla karşılaştırılabilir.

Ayrıca bakınız

• Tek elektronlu evren teorisi
• Elektrik
• Elektronik
• Foto-çoğaltıcı tüp
• Elektrik lambası

Akım, elektron yükü - herkes bu kelimeleri bilir.

Peki elektrik nedir, nasıl üretilir ve iletilir? Bu soruları cevaplamak kolay değil. Bunu yapmak için, elektrik adı verilen önemli bir fenomen yelpazesine aşina olmanız gerekir. Önce "elektrik" kelimesinin kökenini düşünün.

Antik Yunan bilim adamları bile kehribar nesnelerini ovaladıktan sonra hafif cisimlerin kendilerine çekildiğini keşfettiler. Yunanca kehribar "elektron"dur; "elektrik" adı bu kelimeden geliyor.

16. yüzyılın ikinci yarısında, İngiliz bilim adamı Hilbert, sadece kehribarın hafif cisimleri çekme özelliğine sahip olmadığını keşfetti. Reçine, cam gibi birçok madde de bu özelliği sürtünme sırasında kazanır. Bu fenomene elektrifikasyon denir. Sürtünme sırasında böyle bir özellik kazanan bir maddeye elektrikli denir.

Bilim adamları, cisimlerin elektrifikasyonunu, vücutta elektriğin görünmesi veya bir elektrik yükü ile açıkladılar.

Elektriklenmek için vücudu ovmak gerekli değildir; örneğin, önceden elektrik verilmiş herhangi bir nesneyle ona dokunabilirsiniz. Bu nedenle, deneyim, elektrikli cisimlerin itildiğini veya çekildiğini göstermektedir. Buna dayanarak, farklı bir elektrik yükü olduğu sonucuna vardık. Bunlar birbirine zıt yüklerdir.

Bu suçlamalardan bazılarına geleneksel olarak olumlu, diğerleri ise olumsuz olarak adlandırıldı. Elektrikli cisimlerin nasıl etkileşime girdiğinin gözlemlenmesi, benzer yüklerin itileceğini ve farklı yüklerin çekeceğini belirlemeyi mümkün kıldı.

Bir elektrik yükünü neyin oluşturduğu sorusu, uzun süredir bilim adamlarının ilgisini çekmiştir. İlk başta, elektrik olaylarının ağırlığı olmayan bir elektrik sıvısından kaynaklandığı varsayıldı. Bazı bilim adamları, her vücudun iki elektrik sıvısına sahip olduğunu varsaydılar: pozitif ve negatif ve birinin fazlalığı vücudun pozitif bir elektriklenmesini ve diğerinin fazlalığı - negatif. Eşit miktarlarda bulunurlarsa, her iki sıvının etkisi birbirini yok eder. Bu durumda, vücut yüksüz hale gelir. Diğer bilim adamları, her yüksüz vücutta belirli bir miktarda bulunan yalnızca bir elektrik sıvısı olduğuna inanıyorlardı. Vücuttaki fazlalığı, olumlu bir elektriklenme ve bir eksiklik - olumsuz bir durum oluşturur. Bununla birlikte, yavaş yavaş yeni deneysel gerçeklerin analizi, bir elektrik sıvısı hipotezini terk etmeye zorladı.

Böylece elektriğin atomik bir yapıya sahip olduğu keşfedildi. her biri temel elektrik yükü olarak adlandırılan bileşen parçalara bölünebilir. Bu sonuç, bir yandan elektriğin tuz ve asit çözeltilerinden geçişinin incelenmesini ve ardından gazlarda elektriğin incelenmesini mümkün kıldı. Ve son olarak, deneyim, temel elektrik yüklerinin maddenin en küçük parçacıklarını taşıdığını göstermiştir.

19. yüzyılın sonunda İngiliz fizikçi Thomson tarafından yapılan deneyler, en küçük elektrik yüküne sahip ayrı bir madde parçacığını keşfetmeyi mümkün kıldı ve daha sonra değerini ölçmek için ortaya çıktı.

Bu nedenle, temel bir negatif yüke sahip bir maddenin en küçük parçacığına elektron denir.

Bir elektronun elektrik yükü, onun en önemli ayrılmaz özelliklerinden biridir.

Kütlesi m = 9.1˖10⁻²⁸g'dir.

Elektron yükü e = - 4,8˖10⁻¹⁰ birim.

Elektron, her maddeyi oluşturan parçacıklardan biridir. Maddeler, pozitif yüklü bir çekirdek ve onun etrafında hareket eden elektronlar içeren atomlardan oluşur. Bir elektronun negatif yükü herhangi bir maddede tamamen aynıdır, ancak sayıları ve çekirdek etrafındaki dağılımları farklıdır. Bir atom nötr durumdayken, pozitif, etrafında dönen tüm elektronların negatif yüklerinin toplamına eşittir.

Bir atom elektron kaybederse olur; bu durumda, çekirdeğin pozitif yükü, kalan elektronların yüklerinin toplamından daha büyük hale gelir, o zaman tüm atom pozitif olarak yüklenir. Bir cisim negatif yüklü olduğunda, içinde fazla elektron olduğu anlamına gelir.

Elektronların hareketi, maddelerdeki elektrik yüklerinin yeniden dağılımını, cisimlerin pozitif ve negatif elektriklenmesini ve diğer fenomenleri belirler.

Laboratuvar çalışması için öğretim yardımı No. 3.10k

"Fizik" disiplininde

Vladivostok

EĞİTİM VE BİLİM BAKANLIĞI

Rusya Federasyonu

Yüksek Mesleki Eğitim Federal Devlet Özerk Eğitim Kurumu

Uzak Doğu Federal Üniversitesi (FEFU)

Doğa Bilimleri Okulu

Bir elektronun özgül yükünün belirlenmesi

3.10 numaralı laboratuvar çalışması için öğretim yardımı

"Fizik" disiplininde

Vladivostok

Uzak Doğu Federal Üniversitesi

UDC 53.082.1; 531.76

Bir elektronun özgül yükünün belirlenmesi: eğitici ve metodik. "Fizik" disiplininde 3.10k numaralı laboratuvar çalışması kılavuzu / Uzak Doğu Federal Üniversitesi, Doğa Bilimleri Fakültesi / Comp. N.P. Dymchenko, O.V. Plotnikov,. - Vladivostok: Uzak Doğu. federal un-t, 2014 .-- 13 s.

FEFU Doğa Bilimleri Okulu Genel Fizik Bölümü'nde hazırlanan el kitabı, "Yüklü parçacıkların elektrik ve manyetik alanlarda hareketi" konusunda kısa bir teorik materyal ve laboratuvar çalışması için yönergeler "Tespiti" içerir. "Fizik" disiplininde bir elektronun özgül yükü". Kılavuz, FEFU mühendislik okulunun öğrencileri için tasarlanmıştır.

UDC 53.082.1; 531.76

© Dymchenko N.P., Plotnikova O.V., 2014

© FGAOU VPO "FEFU", 2014

Laboratuvar çalışması No. 3.10k Bir elektronun özgül yükünün belirlenmesi

İşin amacı: elektrik ve manyetik alanlarda yüklü parçacıkların hareket yasalarını incelemek, bir elektronun özgül yükünü belirlemek e / m, Helmholtz bobinleri kullanarak.

Cihazlar: Lorentz kuvvetini göstermek ve elektron yükünün kütlesine oranını belirlemek için kurulum, dik açılı üçgen.

Kısa teori.

Bir elektronun özgül yükü e / mışık hızı gibi temel sabitlerden biridir ile birlikte, Planck sabiti H, Boltzmann sabiti k başka. Bir elektron elektrik ve manyetik alanlarda hareket ettiğinde, elektronun yörüngesi, bu alanların konfigürasyonu ve elektronun yükünün kütlesine oranı ile belirlenir.

Hareket eden yüklü bir parçacık, düzgün elektrik ve manyetik alanların etkisi altındaysa, parçacık üzerine etkiyen kuvvet:

parçacık hızı nerede, Q- elektrik yükü, - elektrik alanının gücü, - manyetik alanın indüksiyonu.

Bu kuvvete Lorentz kuvveti denir. Formül, elektrik ve manyetik alanlardan etki eden kuvvetlerin vektör toplamına eşit olduğunu gösterir.

Elektrik alanı olmaması koşuluyla, düzgün bir manyetik alanda yüklü bir parçacığın sabit hızda hareketini düşünün. Bu durumda, sadece Lorentz kuvvetinin manyetik bileşeni parçacığa etki eder:

Bu kuvvetin yönü, yükün işaretine bağlıdır ve sağ vida kuralıyla (sol el kuralı) belirlenebilir, Şek. 1.

Lorentz kuvvetinin modülü şuna eşittir:

α, parçacık hızı vektörleri ile manyetik indüksiyon arasındaki açıdır.

Parçacık, manyetik indüksiyon kuvvet çizgileri boyunca yönlendirilmiş bir hızla hareket ederse, kuvvet ona etki etmez (F = 0), parçacık ivmesi 0'a eşit olacak ve hareket düzgün olacaktır.

Parçacığın hızı, manyetik indüksiyon kuvvet çizgilerine dik olarak yönlendirilirse, parçacık, büyüklük olarak sabit bir kuvvetin etkisi altında olacaktır: hıza dik olarak yönlendirilir ve parçacığa yalnızca normal (merkezcil) ivme kazandırır. . Bu durumda hız modülü değişmez. Sebebini açıkla? Sonuç olarak, parçacık, yarıçapı Newton'un ikinci yasası temelinde bulunabilen bir daire içinde hareket edecektir:

Parçacık yörünge periyodu:

Elde edilen ifadeden, düzgün bir manyetik alanda bir parçacığın dönüş periyodunun parçacığın hızına bağlı olmadığı ve özgül yükünün tersi olduğu görülebilir.

Parçacığın yörüngesinin bilinen bir yarıçapı ile, ifade (4)'ten parçacığın hızı bulunabilir:

Yüklü bir parçacığın hızı, manyetik indüksiyon vektörüne göre bir α açısıyla yönlendiriliyorsa, hareketi iki hareketin üst üste binmesi olarak temsil edilebilir:

İki hareketin eklenmesi sonucunda ekseni manyetik alanın kuvvet çizgilerine paralel olan bir sarmal hareket meydana gelir (Şekil 2).

Mesafe H bir sarmalın en yakın iki dönüşü arasına adım denir. Helis aralığı:

Bu laboratuvar çalışmasında, bir elektronun manyetik alandaki hareketi ele alınır ve elde edilen tüm ilişkiler bu hareketi tanımlamak için kullanılır.

Pirinç. 2. Düzgün bir manyetik alanın kuvvet çizgilerine göre α açısıyla içeri giren yüklü bir parçacığın hareket yörüngesi. R - yarıçap, h - sarmal adım.

Hızlanan potansiyel farkı U geçtikten sonra, elektron, değeri elektrik alanının işinin eşitliğinden ve elektronun kinetik enerjisinden bulunabilen bir hız kazanır (enerjinin korunumu yasası göreli olmayanlar için yazılır. durum):

elektron yükü (modulo), elektron kütlesi nerede.

(6) ifadesini kullanarak elektronun hızını buluruz:

(9)'u (8)'e koyarak ve bir elektronun özgül yükünü ifade ederek şunu elde ederiz:

Deneysel kurulum

Bir elektronun özgül yükünün belirlenmesi, Şekil 2'de gösterilen kurulumda gerçekleştirilir. 3. Tesisatın ana elemanları şunlardır: bir katot ışını tüpü 7, bobinlerin kapsadığı tüm hacimde tek tip bir manyetik alan oluşturan bir Helmholtz bobinleri 11 sistemi ve Şekil 2'de gösterilen kontrol elemanları. 3.

Pirinç. 3. Bir elektronun özgül yükünü belirlemek için kurulum.

1 - Cihazın açma-kapama düğmesi: 2 - üç konumlu anahtar, Helmholtz bobinlerindeki mıknatıslama akımının yönünü 11 "saat yönünde", "kapalı", "saat yönünün tersine" değiştirmeye yarar; 3 - mıknatıslama akımını ayarlamak için topuz, akım, ünitenin ön panelinde bulunan ampermetre ile ölçülür; 4 - hızlanma voltajını ayarlamak için düğme; ünitenin ön panelinde bulunan bir voltmetre kullanılarak okunur; 5 - anahtar, üç konuma sahiptir, bu deneyde "kapalı" konumda olmalıdır, 6 - elektrostatik alanı ayarlamak için tutamak, bu deneyde kullanılmamıştır ve en sol konumda olmalıdır; 7 - katot ışın tüpü; Elektron ışınının çapını ölçmek için 8, 10 cihaz; 9 - bir elektron ışınının izi.

Helmholtz bobinleri, bobinlerin sentleri arasında yarıçaplarına eşit bir mesafede eş eksenli olarak yerleştirilmiş iki ince bobinden oluşan bir sistemdir. Bobinlerin kalınlığı, ortalama çaplarından önemli ölçüde daha azdır. Bobinlerin düzeninin bu geometrisi ile bobinler arasındaki tüm hacimdeki manyetik alan indüksiyonu pratik olarak aynıdır. Helmholtz bobinlerinin manyetik alanının indüksiyon vektörü, Helmholtz bobinlerindeki akımın yönüne bağlı olarak, her iki bobinin ekseni boyunca gözlemciye doğru veya gözlemciden uzağa yönlendirilir. Akımın yönünün değiştirilmesi, geçiş anahtarı 2, Şek. 3. Katot ışını tüpü (7), bu bobinler tarafından oluşturulan alanın merkezi bölgesinde yer almaktadır, şek. 3.

Manyetik alan indüksiyonu B halka sisteminin içi, Biot - Savard - Laplace yasasına ve iki Helmholtz halkası tarafından oluşturulan alanların süperpozisyonu ilkesine göre hesaplanabilir. Bu hesaplama, manyetik alan indüksiyonunun ifadesini verir:

manyetik sabit nerede, N = iki bobinin toplam dönüş sayısı, R, bobinlerin ortalama yarıçapıdır, I, Helmholtz bobinlerindeki akımdır.

(11) dikkate alındığında, formül (10) şu şekli alır:

burada k şu ifadeyi temsil eder:. Bu formüle sabitin değerini koyarak μ Ö ve bu kurulumun Helmholtz bobinlerinin N ve R parametrelerinin değerleri, formül (12) için son ifadeyi elde ederiz:

İş emri

Ünite çalışmaya hazırdır, katot ışın tüpünün döndürülmesine ve ayrıca bu kılavuzda belirtilenler dışındaki düğmelerin döndürülmesine veya değiştirilmesine izin verilmez. Sürekli deney süresi 45 dakikayı geçmemelidir.Anahtar 5, Şek. 3, "kapalı" konumda olmalıdır ve bu deneyde konumudeğişmemeli. Mıknatıslama akımı 1 - 2 A, y aralığında seçilir hızlanma voltajı 150 - 200 V aralığında ayarlanır. Cihazı kapatmadan önce, akımı 2 ve hızlanma voltajını 4 ayarlama kolu, Şek. 3 aşırı sol konuma çevirin.

Pirinç. 4 Manyetik alanın yokluğunda elektron ışını. Elektron ışınını görselleştirmek için, önceden havadan boşaltılan katot ışın tüpünde az miktarda soy gaz sonlandırılır. Elektronlar ve soy gaz atomları arasındaki çarpışmalar nedeniyle, gaz atomları uyarılır ve ardından yeşilimsi bir ışık yayar, böylece elektronların yörüngesini gösterir.

Pirinç. 5. Helmholtz bobinlerinin manyetik alanı tarafından oluşturulan bir manyetik alandaki elektron ışınının görünümü.

Ölçüm prosedürü

Çalışma formülünden (12) görülebileceği gibi, bir elektronun özgül yükünün deneysel olarak belirlenmesi için hızlanma voltajı ölçülmelidir. sen, mıknatıslanma akımı ben ve elektron halkasının yarıçapı r... Hızlanma voltajının ve mıknatıslanma akımının ölçümü, tesisatın ön panelinde bulunan bir voltmetre ve bir ampermetre kullanılarak gerçekleştirilir. Halkanın yarıçapının ölçümü, bir ölçüm cetveli 10, Şek. 3. Elektronik halkanın yarıçapını ölçmenin doğruluğunu artırmak için aşağıdaki işlem sırasını öneriyoruz. Cetvel 3'ü ölçmek için, Şek. 6, bir ayağı ile dik açılı bir üçgen 2 takın, ardından nişangahı 4 ve üçgeni 2 hareket ettirin ve diğer bacak boyunca halkanın sağ kenarının konumunu gözle gözlemleyin. Elektronik halkanın kenarı, nişan cihazı ve gözlemcinin gözü aynı çizgide olur olmaz, halkanın bu kenarının koordinatlarını sayarız. Sonra aynı şekilde elektron demetinin sol kenarını sayıyoruz. Bu koordinatlar arasındaki fark, hızlanan voltajın verilen değerlerine ve Helmholtz halkalarındaki mıknatıslama akımının gücüne karşılık gelen elektron halkasının çapının değerini verecektir. Böyle bir prosedür, paralaks ile ilişkili halka çapının ölçülmesindeki hatayı, yani gözlemcinin gözleri görüş hattına dik yönde yer değiştirdiğinde görüş pozisyonundaki bir değişikliği azaltır.

Gerekli okumaların tekniğine hakim olduktan sonra, ana deneye geçilmelidir. Mıknatıslama akımını 1,50 A'ya ayarlıyoruz, halkaların çaplarını 3 farklı hızlanma voltajında ​​ölçüyoruz: 150, 175, 200 V. Ardından hızlanma voltajını 175 V'a ayarlıyoruz ve halkaların çaplarını üç değerde ölçüyoruz. mıknatıslama akımı: 1.00 A, 1.50 A, 2.00 A. Ölçüm sonuçları hazırlanmış bir tabloya girilir. Belirtilen okumalar, ölçüm aletlerinin ölçek bölümünün yarısı kadar bir doğrulukla yapılmalıdır.

Tablo 1

deneysel veri tablosu

Deneyin sonuçlarının işlenmesi.

,

nerede. mutlak hata benÖzgül yükün -inci ölçümü, Student katsayısıdır, n ölçüm sayısıdır, bizim durumumuzda 6 ölçüm seçilmiştir, α Student'ın güvenilirlik faktörüdür. Laboratuvar ölçümlerinde %95'e eşit seçilmesi tavsiye edilir.

Bir elektronun özgül yükünün bağıl ε hatasını aşağıdaki formülü kullanarak hesaplayın:

Nihai sonucu yazın ve elektronun özgül yükü için tablo değeriyle karşılaştırın.