Матвей Бронштейн - Атомы и электроны. Атомы и электроны

Атомы электричества, атомы света, атомы энергии

Решение пришло не сразу. Когда стали намечаться первые его контуры, оказалось, что путь был указан уже давно.

Но тогда же стало ясно что дальнейшее развитие атомной теории связано с крушением ее исходных представлений. Как это не раз случалось в истории науки, все высокое здание атомистики было без повреждений перенесено на новое основание.

Прежде чем рассказать об этом, вспомним один известный факт. Если через раствор какой-нибудь соли, скажем, хлористого серебра, пропустить постоянный электрический ток, введя его в ванну с раствором через две пластины — одну, соединенную с положительным полюсом источника тока, ее называют анод, и другую, соединенную с отрицательным полюсом — катодом, так чтобы цепь замыкалась через жидкость, то соль разложится и на катоде появится налет серебра. Ток, очевидно, проводится именно атомами хлора и серебра. Они нагружаются электрическим зарядом и относят его к соответствующей пластине, сами же выделяются в свободном виде. Эти заряженные атомы — путешественники (их и назвали «путниками» — «ионами» по-гречески) — и являются причиной проводимости раствора. А все явление в целом носит всем известное название — электролиз.

Закон электролиза установил еще Михаил Фарадей в 1838 году. Этот закон гласит: чтобы выделить из раствора грамм-атом какого-нибудь вещества, то есть 1 грамм водорода, 23 грамма натрия, 108 граммов серебра, 35,5 грамма хлора и т. д., нужно пропустить одно и то же количество электричества — 96 500 кулонов (один кулон протекает за секунду через поперечное сечение проводника при токе в 1 ампер). Для иных веществ, которые соединяются с двумя атомами водорода, как кислород, нужно 2 · 96 500 кулонов на грамм-атом; для алюминия, один атом которого замещает в соединении 3 грамма водорода, 3 · 96 500 кулонов.

Объяснение этого замечательного факта найдется, если вспомнить, что в грамм-атоме каждого элемента содержится одно и то же число его атомов. Выходит, что одно и то же количество электричества 96 500 кулонов (или двойная, или тройная величина) переносится одним и тем же числом атомов N. Очевидно, каждый атом переносит одинаковую порцию электричества, равную 96 500 кулонов, или две порции, или три, или вообще целое — но не дробное — число таких порций. Иначе говоря, как это выразил знаменитый физик Гельмгольц в 1881 году, «если мы примем гипотезу, что простые вещества составлены из атомов, то мы должны принять также, что и электричество разделяется на определенные порции, которые ведут себя, как атомы электричества».

После исследователей электролиза слово взяли физики, изучавшие свечение разреженных газов в запаянной трубке, через которую пропускался электрический ток.

В эту трубку также были впаяны две пластинки — анод и катод; к ним подводили ток. Оказалось, что при очень сильном разрежении газа из отрицательного полюса — катода — вырываются особые «катодные» лучи, заставляющие светиться стекло там, где они падают. Если на пути их поместить препятствие, в месте свечения появится резкая тень.

Впервые английский физик Крукс (трубка называется «круксовой» в его честь) высказал смелое предположение, что эти «катодные» лучи — поток материальных частиц отрицательного электричества, которые вырываются из атомов и движутся с огромной скоростью.

Если это так, если в атоме действительно содержатся электроны, то механизм электролиза также ясен: отрицательные ионы, движущиеся к аноду, — это атомы, несущие один, два и т. д. электрона; положительные ионы, движущиеся к катоду, — это атомы металла, потерявшие один, два и т. д. электрона, так как приобрести положительный заряд все равно, что потерять отрицательный. Мы видим в круксовой трубке осколки разрушенного атома!

Несмотря на всю необычность (для того времени!) этих мыслей, постепенно они властно завоевывали признание. Исследование частиц электричества, названных «электронами», подтверждало идею Крукса.

Движение электронов есть электрический ток. Ток отклоняется вблизи магнита, как говорят, в магнитном поле. Электрическое поле, создаваемое электрическим зарядом, тоже изменяет путь движущегося заряда. В самом деле, оказывается, достаточно поднести магнит или наэлектризованное тело к трубке Крукса, чтобы катодный луч отклонился — передвинулось светлое пятнышко на стекле. Величина отклонения определяется в обоих случаях различными законами и зависит от скорости (энергии) электронов, их массы и их заряда. Чем тяжелее частица и чем больше ее скорость, тем меньше она отклоняется полем. Измеряя одновременно отклонение электронов в обоих полях, удалось установить их скорости и отношение заряда к массе. Скорость электронов оказалась тем больше, чем больше было напряжение между анодом и катодом, то есть чем сильнее было разгонявшее их электрическое поле. Зато отношение заряда электрона к его массе оказалось постоянной величиной, то есть и заряд и масса всех электронов оказались всегда одними и теми же — это были действительно атомы электричества. И простые расчеты позволили установить с самого начала, что масса электронов в 1 840 раз меньше массы легчайшего из атомов — атома водорода.

Вскоре удалось и непосредственно измерить ничтожный заряд электрона. Эта удивительная работа была проделана американским физиком Робертом Милликэном. Он разбрызгивал между двумя пластинами электрического конденсатора (они располагались одна над другой) микроскопические капельки масла, которые при этом приобретали электрические заряды. Капелька благодаря своей тяжести падала вниз. Скорость падения капельки давала возможность вычислить по известным формулам ее вес. Тогда пластинки конденсатора заряжались так, чтобы капелька притягивалась верхней пластиной. Движение капельки менялось, она могла даже подниматься кверху. Зная скорость капли, ее вес и напряжение поля, Милликэн мог подсчитать заряд капли. Оказалось, что он был всегда равен целому кратному одной и той же величины или самой этой величине. Очевидно, эта величина и есть атом электричества или заряд электрона: он оказался равен 4,8·10-10 абсолютных единиц (таких абсолютных единиц заряда, принятых у физиков, 3 миллиарда в одном кулоне). Так как в 96 500 кулонов содержится число электронов, равное числу атомов в грамм-атоме, то, разделив 96 500 кулонов или 96 500 · 3 000 000 000 абсолютных единиц на заряд электрона, мы должны получить число Авогадро N. В самом деле, получается 6,02·1023, то есть то же число, что получил двумя способами Перрен. Проверка числом N дает неопровержимое доказательство существования электрона. Масса электрона, вычисляемая из опыта с отклонением электрона в магнитном поле и в 1 840 раз меньшая массы атома водорода, оказывается равной: m = 9,1·10-28 граммов.

Как невообразимо мала эта масса, можно судить из следующего сопоставления; число граммов, составляющих вес земного шара, примерно вдвое меньше числа электронов в одном грамме. И, однако, острота методов современной физики такова, что Милликэн измерял в своих опытах отдельные электроны!

Так идея зернистого, прерывного строения проникла совсем, казалось бы, в иную область явлений и приобщила электричество к видам вещества. Но и на этом не остановилось продвижение атомных воззрений вглубь науки.

Триста лет тому назад Ньютон считал, что свет представляет собой поток мельчайших «корпускул» — телец, влетающих в глаз и вызывающих раздражение зрительного нерва. В результате всего последующего развития наука, однако, пришла к выводу, что световые явления — это волновые процессы, распространение волн в какой-то среде, заполняющей все пространство. Разница ясна: если

принять «корпускулярную» теорию, то энергия непосредственно переносится от излучающего тела к поглощающему частицами-почтальонами; если же верить волновой теории, то таких непосредственных переносчиков нет, и энергия передается от одной точки среды, где происходит какое-то повторяющееся движение, колебание, к смежной точке, воспроизводящей колебание соседки с некоторым опозданием. И так дальше — от точки к точке… Рябь в пруду, хотя бы от всплеска, вызванного брошенным камнем, дает нам картину волн на поверхности воды. Движение, энергия передаются и в волновом процессе, хотя никакие материальные частицы не движутся в направлении этого распространения. Бегут только чередующиеся гребни и впадины волн, определяющие лишь состояние движения. Расстояние между двумя последующими гребнями называется длиной волны. Длина волны, или частота колебаний в ней, определяет качество — цвет и многие другие свойства светового луча. Чем больше длина волны, тем меньше частота. Произведение их равно скорости волны.

Что же колеблется? Никакой вещественной среды, передающей свет, как воздух передает волны звука, не удалось найти. Но когда были открыты электромагнитные волны, радиоволны, установился взгляд, что световые колебания — это изменение определенных электрических и магнитных свойств в каждой точке пространства — так называемое колебание электромагнитного поля.

Область световых волн разрослась в миллионы раз за последние шестьдесят лет. Видимый свет — это волны с длиной от 0,4 до 0,7 микрона. Сегодня мы знаем волны с длиной в несколько километров и волны в миллионы раз более короткой длины, чем у видимого света. Здесь и ультрафиолетовые лучи горного солнца, и километровые радиоволны, огибающие горные хребты, и «жесткие» коротковолновые рентгеновские лучи, проникающие сквозь толщи металлов. Все это — однородные волны; только одни испускаются атомами в недрах вещества, как рентгеновские лучи, другие возникают в антеннах радиостанций при «колебательном разряде».

В конце XIX столетия никто не сомневался в том, что световые явления — это распространение волн.

И, однако, исследуя закон распределения энергии между лучами разной длины волны, испускаемыми нагретым телом, знаменитый физик Макс Планк в 1900 году должен был прийти к выводу, что световая энергия испускается прерывно — порциями, атомами, или, как он назвал их, «квантами» (от латинского «quantum» — «сколько»). Иначе объяснить опытные данные не удавалось.

Несколько позднее Альберт Эйнштейн установил, что и поглощение энергии лучей происходит «квантами». Это выяснилось при изучении тока, который возникает в фотоэлементах под действием падающего света. Эйнштейн предположил, что световой луч и есть поток таких квантов, или «фотонов». Энергия кванта связана с длиной волны луча особым соотношением: она равна частоте колебания в луче, умноженной на определенное число, так называемую постоянную Планка. Так как частота равна скорости волны, деленной на ее длину, то энергия фотона обратно пропорциональна длине волны: у коротких рентгеновских волн — большие кванты, у длинных световых волн кванты меньше.

Фотонная, или квантовая, теория света получила особенно наглядное подтверждение, когда удалось обнаружить непосредственное столкновение фотонов с электронами, при котором оба — и фотон и электрон — расскакивались в сторону, как упругие шары: направления, в которых они разлетались, и энергия до и после столкновения соответствовали предсказаниям фотонной теории.

Так целый ряд явлений заставляет нас считать, что свет представляет собой поток особых, световых частиц… Но доводы, заставившие некогда физиков отказаться от воззрений Ньютона, остаются по-прежнему в силе. Явления так называемой интерференции и дифракции, о которых рассказывается в учебниках физики, можно объяснить, только приписав свету волновую природу. Что же такое свет — волны или частицы?

Оказывается, этот вопрос должен быть поставлен шире. То, что электроны — частицы, явствует без всякого сомнения из всех наблюдений и опытов. Но оказывается, что поток летящих электронов, электронный луч, в некоторых случаях ведет себя, как волна. Он испытывает те же, характерные для волн, явления интерференции и дифракции.

И световые лучи и потоки электронов оказываются в одних явлениях волнами, в других — частицами. Противоречие, казалось бы, непримиримое.

Оно, однако, было примирено. Для этого пришлось сделать ряд смелых и глубоких предположений, которые в корне изменили наши представления о микроскопическом мире, и на которых мы не можем здесь остановиться. Возникла новая обширная наука — «квантовая», или «волновая», механика, без помощи которой мы не смогли бы никогда разгадать загадку атома.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

www.activestudy.info

Матвей Бронштейн - Атомы и электроны

Это - невообразимо огромные скорости, если сравнить их с обычными скоростями окружающих нас тел - скоростью поезда, скоростью артиллерийского снаряда,- но они не выглядят такими же внушительными с точки зрения физика, который привык встречаться в своих расчетах и с гораздо большей скоростью - со скоростью света, которая равна 300 000 км/с (это - та самая скорость, с которой распространяются лучи света; расстояние от Солнца до Земли - 150 миллионов километров - лучи света] пробегают за 500 секунд). Поэтому физики не очень удивились, когда Томсон опубликовал свой результат измерения скорости катодных лучей: все сочли эту скорость сравнительно скромной по величине. Гораздо интереснее было то, что Томсон сообщил о найденном в его опытах значении величины e/m. Из его измерений вытекало, что величина e/m получается (в отличие от скорости) всегда и всюду одинаковой. Во всех опытах с катодными лучами она неизменно оказывалась равной e/m = 5,307.1017 абс. ед.,

если е выражено в абсолютных единицах, а m (масса электрона) - в граммах. Это было хорошим подтверждением догадки Крукса о том, что катодные лучи - поток каких-то совершенно одинаковых частиц.

Из этого значения e/m Томсон сейчас же вывел совершенно поразительное следствие. Вспомним, что из фарадеевских законов электролиза мы получили N*e = 2,895*1014 абс. ед.

Но что такое N? Это - число атомов водорода в одном грамме водорода. Значит, масса атома водорода должна составить N-ю часть грамма. Если мы обозначим массу атома водорода буквой М, то окажется, что M=l/N. Поэтому умножить какое-нибудь число на N - это все равно что разделить его на М, и наоборот. Выходит, что формулу N*e=2,895-1014 абс. ед. можно еще написать в виде e/M = 2,895-1014 абс. ед.

Таким образом, число 2,895-10" есть отношение элементарного электрического заряда (т. е. заряда электрона), выраженного в абсолютных единицах, к массе атома водорода, выраженной в граммах. А число 5,307-10" есть отношение того же самого заряда электрона к массе уже не атома водорода, а самого электрона. Число 5,307*1017, как нетрудно сосчитать, примерно в 1840 раз больше числа 2,895*1014. Что это значит? У двух дробей e/m и e/М числители одинаковы, а между тем первая дробь в 1840 раз больше второй. Значит, знаменатель первой дроби в 1840 раз меньше знаменателя второй дроби. Иными словами, электрон в 1840 раз легче атома водорода, т. е. чуть ли не в две тысячи раз легче самого легкого из атомов. Итак, атом водорода не есть самая легкая частица в мире, как мы думали до сих пор: электрон гораздо легче его.

Для того чтобы понять всю огромную важность этого результата, полученного впервые Дж. Дж. Томсопом, вспомним следующее: в явлениях электролиза мы имеем дело с атомами, заряженными положительным и отрицательным электричеством, причем заряд каждого атома может равняться по величине одному, или двум, или трем и т. д. зарядам электрона. Электрон играет роль того "атома электрической жидкости", о котором говорил старик Франклин. Легко понять, каким образом атом вещества может иметь один, или два, или три отрицательных элементарных заряда: для того чтобы зарядить атом таким отрицательным зарядом, стоит только приклеить к нему один, или два, или три и т. д. электрона. Но как зарядить атом одним, или двумя, или тремя положительными зарядами? Для этого необходимо отнять у атома отрицательный заряд: ведь отнять отрицательный заряд - это все равно что прибавить положительный. Значит, нужно отнять у атома один, или два, или три и т. д. электрона. Выходит, что атом водорода, переносящий на себе в электролите один положительный элементарный заряд,- это есть атом водорода, у которого отнят электрон. Атом цинка, несущий два положительных элементарных заряда,- это атом цинка, у которого отняты два электрона, и т. д., и т. д. Но для того, чтобы можно было отнять у атома электроны, необходимо - так, по крайней мере, говорит здравый смысл,- чтобы они у него были.

Таким образом, мы приходим к взгляду на атом как на какую-то сложную систему, в состав которой входят электроны. У атомов можно оторвать один или несколько электронов - при этом образуется положительно заряженный "ион" (отрыв электронов от атома принято называть ионизацией, в. заряженный атом, который при этом образуется,- ионом; это греческое название, которое значит "передвигающийся", так как заряженный атом получает способность передвигаться в электрическом поле, чем и объясняется, например, передвижение атомов при электролизе). Если к атому добавить один или несколько электронов, получается отрицательно заряженный ион.

Все эти представления очень сильно отличаются от тех, которые были у Дальтона: ведь Дальтон считал, что атом является абсолютно неделимым на части, а теперь оказывается, что от атома сравнительно легко откалываются электроны. В сущности говоря, весьма забавно, что физические открытия в конце XIX и в начале XX века, те самые открытия, которые наконец-то дали физике убедительные доказательства реального существования атомов, вместе с тем поставили крест на старинной идее неделимости атомов: физики столкнулись с явлениями, в которых принимают участие осколки атомов - электроны. Атомы существуют, но совсем не обладают свойством неделимости. По этому поводу следует сказать, что уже Франклин, говоря об атомах электрического "флюида", тоже предполагал, что их можно извлекать из обыкновенных атомов вещества и прибавлять к обыкновенным атомам. Различие заключается в том, что "атомы электрической жидкости" у Франклина считались невесомыми, а на самом деле оказалось, что они обладают массой, хотя и очень небольшой (в 1840 раз меньшей, чем масса самого легкого атома). Поэтому, строго говоря, если мы от какого-нибудь атома отрываем один или несколько электронов, то масса его уменьшается; если же заряжаем его отрицательно, т. е. придаем один или несколько электронов, то его масса увеличивается. Однако не следует забывать, что масса электрона во много раз меньше массы даже самого легкого атома: если электрон и не оказался невесомым, как думал о нем Франклин, то все же мы можем его считать "почти невесомым". Вот почему, когда от атома оторван один или несколько электронов, мы не будем называть этот атом расколотым на части: было бы смешно употреблять это выражение, когда отколотые от атома_ куски в несколько тысяч раз легче, чем то, что осталось,- ведь мы же не говорим, что человек разрезан на части, когда ему обрили голову или остригли ногти, и именно потому, что масса отрезанных волос или ногтей во много раз меньше массы человека. Может ли существовать такой "тонкий и сильный агент" - как говорил в XVII столетии Роберт Бойль,- с помощью которого удалось бы действительно раздробить атом на части, т. е. оторвать от него осколок, не обладающий столь ничтожной массой, как электрон,- об этом мы узнаем дальше в этой книжке.

Итак, электроны, из которых состоят катодные лучи, являются вместе с тем обычной составной частью любого атома. Такое заключение сделал Томсон в полном согласии с гениальной гипотезой Крукса, и развитие физики в конце XIX и в начале XX столетия приносило все новые и новые подтверждения этого взгляда. Уже давно было известно, что все вещества обладают, в той или иной степени, магнитными свойствами, и еще в первой половине XIX столетия французский математик и физик Ампер объяснил магнитные свойства вещества тем, что атомы и молекулы окружены особыми электрическими токами. Теперь, после открытия электрона, эти "молекулярные токи" Ампера приняли гораздо более определенный и конкретный характер: для того чтобы объяснить существование этих токов, было достаточно предположить, что электроны, находящиеся внутри атомов, движутся;

движение электронов - это и есть текущий внутри атомов замкнутый электрический ток.

Известно было также, что ускоренное, переменное движение электрических зарядов должно вызывать в пространстве электромагнитные волны; в зависимости от длины волны эти электромагнитные волны воспринимаются нами то как радиоволны (когда длина волны составляет несколько метров или даже километров), то как волны видимого света (когда длина волны - равна десятитысячным долям миллиметра), то как волны ультрафиолетового света (длина волны еще меньше). После открытия электронов стало ясно, каким образом атом может испускать свет: он испускает свет вследствие того, что в нем электроны совершают неравномерное и переменное движение.

Этот естественный и правдоподобный вывод из открытия электронов, сделанный физиками, получил очень сильное подтверждение, когда голландский физик Зееман открыл, что стоит только поместить светящееся вещество в сильное магнитное поле, как сейчас же испускаемые им спектральные линии делаются двойными или тройными. В 90-х годах прошлого века другой голландский физик Лоренц очень остроумно математически показал, что так и должно быть в действительности, если спектральные линии испускается вследствие наличия заряженных частичек внутри атома. Мало того, Лоренц доказал, что из данных измерений, относящихся к открытому Зееманом явлению, можно вычислить e/m - отношение заряда к массе - для тех заряженных частиц, движение которых внутри атома приводит к испусканию спектральных линий. В результате подсчета получилось совершенно такое же e/m, как у Дж. Дж. Томсона в его опытах над отклонением катодных лучей в магнитном и в электрическом полях. После этого физики окончательно поверили в то, что те же самые электроны, которые в разрядной трубке мчатся с большими скоростями от металлического катода,- те же самые электроны существуют и внутри атомов водорода, железа, серы, золота и всех вообще химических элементов на свете.

profilib.net

Движение электронов в атомах - Наука и образование

Дальнейшее после утверждения периодического закона накопление сведений об атомах составляет заслугу физиков. Опираясь на периодический закон, они установили электронное строение атомов элементов и этим открыли путь к объяснению их химических свойств. Но, прежде чем перейти к данному вопросу, нам предстоит познакомиться с движением электронов в атомах.

Электроны в атомах не могут быть неподвижны, так как иначе они упали бы на ядра и слились с ними, как упали бы на Солнце планеты, если бы они не двигались вокруг него. Похоже ли движение электрона вокруг ядра на движение планеты вокруг Солнца?

Движение планет вокруг Солнца характеризуется криволинейной линией – их орбитой. Совсем иначе движутся электроны в атомах. Путь, описываемый каждым из них, сливается в расплывчатое облако. Заряд электрона как бы размазывается, расплывается по всему объему этого облака, подобно тому, как при фотографировании с большой выдержкой футбольного матча изображение каждого футболиста расплывается, размазывается по всему пространству футбольного поля.

Облако каждого электрона имеет свою форму и свой размер. Облака, образованные движением электронов в атоме, частично налагаются друг на друга (как орбиты комет в солнечной системе налагаются, пересекаются с орбитами планет), а если форма и размер облаков, образуемых двумя электронами, одинаковы, оба облака могут полностью сливаться друг с другом, образуя общее, двухэлектронное облако. Но в каждом атоме существует не более двух электронов, облака которых одинаковы по форме, величине и расположению в пространстве. Полностью сливаться друг с другом электронные облака могут лишь попарно.

Облака одних электронов имеют форму шара, других – форму, напоминающую гантель: такие электроны как бы находятся попеременно то по одну сторону от ядра, то по другую. Так, единственный электрон в атоме водорода образует вокруг ядра облако шаровидной формы, в атоме гелия два электрона образуют общее, двухэлектронное облако такой же формы. Такое же двухэлектронное облако содержится в виде внутреннего слоя в атомах всех последующих элементов. Внешний же слой атомов элементов II периода представлен сначала у лития (№ 3) и бериллия (№ 4) тоже шарообразными, а начиная с бора (№ 5) также и гантелеобразными облаками.

Рассмотрим строение атома инертного газа, завершающего II период, – неона, у которого внешний слой завершен. Он состоит из четырех электронных облаков – одного сферического и трех гантелеобразных облаков. Оси этих трех гантелеобразных облаков перпендикулярны друг другу, как оси октаэдра, Облака, образованные электронами внешнего слоя, имеют значительно больший размер, чем облака электронов внутреннего слоя (он изображен пунктиром). Это и означает, что внешние электроны движутся в большем удалении от ядра, чем электроны внутреннего слоя.

Электроны, облака которых имеют сферическую форму, называются s-электронами (обратим внимание, что s – первая буква слова «сферический»), а гантелеобразные облака – р-электронами (заметим, что р – первая буква слова «перпендикулярный»). Назовем электроны, облака которых попарно слились, спаренными. В атоме неона все электроны спаренные.

Так же как построен внешний слой атома неона, построен он и в атомах последующих инертных газов.

В атомах неметаллов, предшествующих инертным газам, внешний слой построен подобным же образом, но в них недостает одного р-электрона у галогенов, двух р-электронов у элементов подгруппы кислорода, трех р-электронов у элементов подгруппы азота, четырех р-электронов у элементов подгруппы углерода. Поэтому в атомах галогенов одно из облаков, образованных р-электронами, одноэлектронное (один электрон непарный), у элементов подгруппы кислорода два из облаков, образованных р-электронами, одноэлектронные (два электрона непарные), у элементов подгруппы азота все три гантелеобразных облака одноэлектронные (три электрона непарные).

scibio.ru

ЭЛЕКТРОН | Энциклопедия Кругосвет

ЭЛЕКТРОН, элементарная частица с отрицательным электрическим зарядом, входящая в состав всех атомов, а следовательно, и любого обычного вещества. Это – самая легкая из электрически заряженных частиц. Электроны участвуют почти во всех электрических явлениях. В металле часть электронов не связана с атомами и может свободно перемещаться, благодаря чему металлы хорошо проводят электричество. В плазме, т.е. ионизованном газе, положительно заряженные атомы также перемещаются свободно, но, имея гораздо большую массу, движутся значительно медленнее электронов, а потому вносят меньший вклад в электрический ток. Благодаря малой массе электрон оказался частицей, наиболее вовлеченной в развитие квантовой механики, частной теории относительности и их объединение – релятивистскую квантовую теорию поля. Считается, что в настоящее время полностью известны уравнения, описывающие поведение электронов во всех реально осуществимых физических условиях. (Правда, решение этих уравнений для систем, содержащих большое число электронов, таких, как твердое тело и конденсированная среда, все еще сопряжено с трудностями.)

Все электроны тождественны и подчиняются статистике Ферми – Дирака. Это обстоятельство выражается в принципе Паули, согласно которому два электрона не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии. Одно из следствий принципа Паули заключается в том, что состояния наиболее слабо связанных электронов – валентных электронов, определяющих химические свойства атомов, – зависят от атомного номера (зарядового числа), который равен числу электронов в атоме. Атомный номер равен также заряду ядра, выраженному в единицах заряда протона е. Другое следствие состоит в том, что электронные «облака», окутывающие ядра атомов, сопротивляются их перекрытию, вследствие чего обычное вещество обладает свойством занимать определенное пространство. Как и полагается элементарной частице, число основных характеристик электрона невелико, а именно масса (me » 0,51 МэВ » 0,91Ч10–27 г), заряд (-e » -1,6Ч10–19 Кл) и спин (1/2ћ »1/2Ч0,66Ч10–33 ДжЧс, где – постоянная Планка h, деленная на 2p). Через них выражаются все остальные характеристики электрона, например магнитный момент (»1,001m3 » 1,001Ч0,93Ч10–23 Дж/Тл), за исключением еще двух констант, характеризующих слабое взаимодействие электронов (см. ниже).

Первые указания на то, что электричество не является непрерывным потоком, а переносится дискретными порциями, были получены в опытах по электролизу. Результатом явился один из законов Фарадея (1833): заряд каждого иона равен целому кратному заряда электрона, называемого ныне элементарным зарядом е. Наименование «электрон» вначале относилось к этому элементарному заряду. Электрон же в современном смысле слова был открыт Дж.Томсоном в 1897. Тогда было уже известно, что при электрическом разряде в разреженном газе возникают «катодные лучи», несущие отрицательный электрический заряд и идущие от катода (отрицательно заряженного электрода) к аноду (положительно заряженному электроду). Исследуя влияние электрического и магнитного полей на пучок катодных лучей, Томсон пришел к выводу: если предположить, что пучок состоит из частиц, заряд которых не превышает элементарного заряда ионов е, то масса таких частиц будет в тысячи раз меньше массы атома. (Действительно, масса электрона составляет примерно 1/1837 массы легчайшего атома, водорода.) Незадолго до этого Х.Лоренц и П.Зееман уже получили доказательства того, что электроны входят в состав атомов: исследования воздействия магнитного поля на атомные спектры (эффект Зеемана) показали, что у заряженных частиц в атоме, благодаря наличию которых свет взаимодействует с атомом, отношение заряда к массе такое же, как и установленное Томсоном для частиц катодных лучей.

Первая попытка описать поведение электрона в атоме связана с моделью атома Бора (1913). Представление о волновой природе электрона, выдвинутое Л.де Бройлем (1924) (и подтвержденное экспериментально К.Дэвиссоном и Л.Джермером в 1927), послужило основой волновой механики, разработанной Э.Шрёдингером в 1926. Одновременно на основании анализа атомных спектров С.Гаудсмитом и Дж.Уленбеком (1925) был сделан вывод о наличии у электрона спина. Строгое волновое уравнение для электрона было получено П.Дираком (1928). Уравнение Дирака согласуется с частной теорией относительности и адекватно описывает спин и магнитный момент электрона (без учета радиационных поправок).

Из уравнения Дирака вытекало существование еще одной частицы – положительного электрона, или позитрона, с такими же значениями массы и спина, как у электрона, но с противоположным знаком электрического заряда и магнитного момента. Формально уравнение Дирака допускает существование электрона с полной энергией либо і mс2 (mс2 – энергия покоя электрона), либо Ј – mс2; отсутствие радиационных переходов электронов в состояния с отрицательными энергиями можно было объяснить, предположив, что эти состояния уже заняты электронами, так что, согласно принципу Паули, для дополнительных электронов нет места. Если из этого дираковского «моря» электронов с отрицательными энергиями удалить один электрон, то возникшая электронная «дырка» будет вести себя как положительно заряженный электрон. Позитрон был обнаружен в космических лучах К.Андерсоном (1932).

По современной терминологии электрон и позитрон являются античастицами по отношению друг к другу. Согласно релятивистской квантовой механике, для частиц любого вида существуют соответствующие античастицы (античастица электрически нейтральной частицы может совпадать с ней). Отдельно взятый позитрон столь же стабилен, как и электрон, время жизни которого бесконечно, поскольку не существует более легких частиц с зарядом электрона. Однако в обычном веществе позитрон рано или поздно соединяется с электроном. (Вначале электрон и позитрон могут на короткое время образовать «атом», так называемый позитроний, сходный с атомом водорода, в котором роль протона выполняет позитрон.) Такой процесс соединения называется электрон-позитронной аннигиляцией; в нем полная энергия, импульс и момент импульса сохраняются, а электрон и позитрон превращаются в гамма-кванты, или фотоны, – обычно их два. (С точки зрения «моря» электронов данный процесс представляет собой радиационный переход электрона в так называемую дырку – незанятое состояние с отрицательной энергией.) Если скорости электрона и позитрона не очень велики, то энергия каждого из двух гамма-квантов приблизительно равна mс2. Это характеристическое излучение аннигиляции позволяет обнаруживать позитроны. Наблюдалось, например, такое излучение, исходящее из центра нашей Галактики. Обратный процесс превращения электромагнитной энергии в электрон и позитрон называется рождением электрон-позитронной пары. Обычно гамма-квант с высокой энергией «конвертируется» в такую пару, пролетая вблизи атомного ядра (электрическое поле ядра необходимо, поскольку при превращении отдельно взятого фотона в электрон-позитронную пару были бы нарушены законы сохранения энергии и импульса). Еще один пример – распад первого возбужденного состояния ядра 16О, изотопа кислорода.

Испусканием электронов сопровождается один из видов радиоактивности ядер. Это бета-распад – процесс, обусловленный слабым взаимодействием, при котором нейтрон в исходном ядре превращается в протон. Наименование распада происходит от названия «бета-лучи», исторически присвоенного одному из видов радиоактивных излучений, которое, как потом выяснилось, представляет собой быстрые электроны. Энергия электронов этого излучения не имеет фиксированного значения, поскольку (в соответствии с гипотезой, выдвинутой Э.Ферми) при бета-распаде вылетает еще одна частица – нейтрино, уносящая часть энергии, выделяющейся при ядерном превращении. Основной процесс таков:

Нейтрон ® протон + электрон + антинейтрино.

Испускаемый электрон не содержится в нейтроне; появление электрона и антинейтрино представляет собой «рождение пары» из энергии и электрического заряда, освобождающихся при ядерном превращении. Существует также бета-распад с испусканием позитронов, при котором находящийся в ядре протон превращается в нейтрон. Подобные превращения могут также происходить в результате поглощения электрона; соответствующий процесс называется К-захватом. Электроны и позитроны испускаются при бета-распаде и других частиц, например мюонов.

Роль в науке и технике.

Быстрые электроны широко применяются в современной науке и технике. Они используются для получения электромагнитного излучения, например рентгеновского, возникающего в результате взаимодействия быстрых электронов с веществом, и для генерации синхротронного излучения, возникающего при их движении в сильном магнитном поле. Ускоренные электроны применяют и непосредственно, например в электронном микроскопе, или при более высоких энергиях – для зондирования ядер. (В таких исследованиях была обнаружена кварковая структура ядерных частиц.) Электроны и позитроны сверхвысоких энергий используются в электрон-позитронных накопительных кольцах – установках, аналогичных ускорителям элементарных частиц. За счет их аннигиляции накопительные кольца позволяют с высокой эффективностью получать элементарные частицы с очень большой массой.

www.krugosvet.ru

• 
  Как найти коэффициент трансформации
• 
  Тест на 3 группу по электробезопасности в ростехнадзоре
• 
  Носители электрического заряда
• 
  Самодельные светодиодные светильники на потолок
• 
  График подключения отопления в тюмени в 2018 году
• 
  Защита от пережога контактного провода
• 
  Антенна wifi направленная своими руками для роутера
• 
  Монтаж ввг кабеля
• 
  Что не проводит электричество
• 
  Генератор на дровах
• 
  Когда начнется отопительный сезон в 2018 в тюмени