Удельный заряд электрона (т. е. отношение ) был впервые измерен Томсоном в 1897 г. с помощью разрядной трубки, изображенной на рис. 74.1. Выходящий из отверстия в аноде А электронный пучок (катодные лучи; см. § 85) проходил между пластинами плоского конденсатора и попадал на флуоресцирующий экран, создавая на нем светящееся пятно.
Подавая напряжение на пластины конденсатора, можно было воздействовать на пучок практически однородным электрическим полем. Трубка помещалась между полюсами электромагнита, с помощью которого можно было создавать на том же участке пути электронов перпендикулярное к электрическому однородное магнитное поле (область этого поля обведена на рис. 74.1 пунктирной окружностью). При выключенных полях пучок попадал на экран в точке О. Каждое из полей в отдельности вызывало смещение пучка в вертикальном направлении. Величины смещений определяются полученными в предыдущем параграфе формулами (73.3) и (73.4).
Включив магнитное поле и измерив вызванное им смещение следа пучка
Томсон включал также электрическое поле и подбирал его значение так, чтобы пучок снова попадал в точку О. В этом случае электрическое и магнитное поля действовали на электроны пучка одновременно с одинаковыми по величине, но противоположно направленными силами. При этом выполнялось условие
Решая совместно уравнения (74.1) и (74.2), Томсон вычислял .
Буш применил для определения удельного заряда электронов метод магнитной фокусировки. Суть этого метода заключается в следующем. Допустим, что в однородном магнитном поле вылетает из некоторой точки слегка расходящийся симметричный относительно направления поля пучок электронов, имеющих одинаковую по величине скорость v. Направления, по которым вылетают электроны, образуют с направлением В небольшие углы а. В § 72 было выяснено, что электроны движутся в этом случае по спиральным траекториям, совершая за одинаковое время
полный оборот и смещаясь вдоль направления поля на расстояние , равное
Вследствие малости угла а расстояния (74.3) для разных электронов оказываются практически одинаковыми и равными (для малых углов ). Следовательно, слегка расходящийся пучок сфокусируется в точке, отстоящей от точки вылета электронов на расстояние
В опыте Буша электроны, испущенные раскаленным катодом К (рис. 74.2), ускоряются, проходя разность потенциалов U, приложенную между катодом К и анодом А. В результате они приобретают скорость и, значение которой может быть найдено из соотношения
Вылетев затем из отверстия в аноде, электроны образуют узкий пучок, направленный вдоль оси эвакуированной трубки, вставленной внутрь соленоида. На входе в соленоид помещается конденсатор, на который подается переменное напряжение. Поле, создаваемое конденсатором, отклоняет электроны пучка от оси прибора на небольшие изменяющиеся со временем углы а. Это приводит к «завихрению» пучка - электроны начинают двигаться по различным спиральным траекториям. На выходе из соленоида ставится флуоресцирующий экран. Если подобрать магнитную индукцию В так, чтобы расстояние Г от конденсатора до экрана удовлетворяло условию
(l - шаг спирали, - целое число), то точка пересечения траекторий электронов попадет на экран - электронный пучок окажется сфокусированным в этой точке и возбудит на экране резкое светящееся пятно. Если условие (74.6) не соблюдается, светящееся пятно на экране будет размытым. Решив совместно уравнения (74.4), (74.5) и (74.6), можно найти
Наиболее точное значение удельного заряда электрона, установленное с учетом результатов, полученных разными методами, равно
Величина (74.7) дает отношение заряда электрона к его массе покоя . В опытах Томсона, Буша и других аналогичных опытах определялось отношение заряда к релятивистской массе, равной
В опытах Томсона скорость электронов составляла примерно 0,1 с. При такой скорости релятивистская масса превышает массу покоя на 0,5%. В последующих опытах скорость электронов достигала очень больших значений. Во всех случаях было обнаружено уменьшение измеряемых значений с ростом v, происходившее в точном соответствии с формулой (74.8).
Заряд электрона был определен с большой точностью Милликеном в 1909 г. В закрытое пространство между горизонтально расположенными пластинами конденсатора (рис. 74.3) Милликен вводил мельчайшие капельки масла. При разбрызгивании капельки электризовались, и их можно было устанавливать неподвижно, подбирая величину и знак напряжения на конденсаторе.
Равновесие наступало при условии
здесь - заряд капельки, Р - результирующая силы тяжести и архимедовой силы, равная
(74.10)
( - плотность капельки, - ее радиус, - плотность воздуха).
Из формул (74.9) и (74.10), зная , можно было найти . Для определения радиуса измерялась скорость равномерного падения капельки в отсутствие поля. Равномерное движение капельки устанавливается при условии, что сила Р уравновешивается силой сопротивления (см. формулу (78.1) 1-го тома; - вязкость воздуха):
(74.11)
Движение капельки наблюдалось с помощью микроскопа. Для измерения определялось время, за которое капелька проходила расстояние между двумя нитями, видимыми в поле зрения микроскопа.
Точно зафиксировать равновесие капельки очень трудно. Поэтому вместо поля, отвечающего условию (74.9), включалось такое поле, под действием которого капелька начинала двигаться с небольшой скоростью вверх. Установившаяся скорость подъема определяется из условия, что сила Р и сила в сумме уравновешивают силу
Исключив из уравнения (74.10), (74.11) и (74.12) Р и , получим выражение для
(в эту формулу Милликен вносил поправку, учитывающую, что размеры капелек были сравнимы с длиной свободного пробега молекул воздуха).
Итак, измерив скорость свободного падения капельки и скорость ее подъема известном электрическом поле , можно было найти заряд капельки е. Произведя измерение скорости при некотором значении заряда , Милликен вызывал ионизацию воздуха облучая пространство между пластинами рентгеновскими лучами. Отдельные ионы, прилипая к капельке, изменяли ее заряд, в результате чего скорость также менялась. После измерения нового значения скорости снова облучалось пространство между пластинами и т. д.
Измеренные Милликеном изменения заряда капельки и сам заряд каждый раз получались целыми кратными одной и той же величины . Тем самым была экспериментально доказана дискретность электрического заряда, т. е. тот факт, что всякий заряд слагается из элементарных зарядов одинаковой величины.
Значение элементарного заряда, установленное с учетом измерений Милликена и данных, полученных другими методами, равно
Строение вещества.
Строение атома.
Атом – мельчайшая частица химического элемента, носитель всех его химических свойств. Атом неделим в химическом отношении. Атомы могут существовать как в свободном состоянии, так и в соединении с атомами того же элемента или другого элемента.
За единицу атомных и молекулярных масс в настоящее время приняли 1/12 часть массы атома углерода с атомной массой, равной 12 (изотоп ). Эту единицу называют углеродной единицей.
Масса и размеры атомов. Число Авогадро.
Грамм-атом, так же как и грамм-молекула любого вещества, содержит 6,023 10^23 атомов или соответственно молекул. Это число называется числом Авогадро (N0). Так, в 55,85 г железа, 63,54 г меди, 29,98 г алюминия, и т. п. находится число атомов, равное числу Авогадро.
Зная число Авогадро, нетрудно подсчитать массу одного атома любого элемента. Для этого гpaмм-атомную массу одного атома надо разделить на 6,023 10^23 . Так, масса атома водорода (1) и масса атома углерода (2) соответственно равны: 
Исходя из числа Авогадро, можно оценить и объем атома. Например, плотность меди равна 8,92 г/см^3, а грамм-атомная масса 63,54 г. Значит, один грамм-атом меди занимает объем 
, и на один атом меди приходится объем 
.
Структура атомов.
Атом является сложным образованием и состоит из ряда более мелких частиц. Атомы всех элементов состоят из положительно заряженного ядра и электронов - отрицательно заряженных частиц очень малой массы. Ядро занимает ничтожно малую часть всего объема атома. Диаметр атома равен см, а диаметр ядра - см.
Хотя диаметр ядра атома в 100000 paз меньше диаметра самого атома, практически вся масса атома сосредоточена в его ядре. Отсюда следует, что плотность атомных ядер очень велика. Если бы удалось собрать 1 см3 атомных ядер, то его масса была бы около 116 млн. тонн.
Ядро состоит из протонов и нейтронов. Эти частицы имеют общее название - нуклоны.
Протон
- - устойчивая элементарная частица с массой, близкой к углеродной единице. Заряд протона равен заряду электрода, но с обратным знаком. Если заряд электрона принимают равным -1, то заряд протона равен +1. Протон – это атом водорода, лишенный электрона.
Нейтрон
– атомная оболочка, отрицательный заряд которой компенсирует положительный заряд ядра, обусловленный наличием в нем протонов.
Таким образом, количество электронов в атоме равно количеству протонов в его ядре.
Зависимость между числом протонов, числом нейтронов и массовым числом атома выражается уравнением: N=A-Z
Отсюда число нейтронов в ядре атома любого элемента равно разности между его массовым числом и числом протонов.
Так число нейтронов в ядре атома радия с массой 226 N=A-Z=226-88=138
Масса и заряд электрона.
Все химические процессы образования и разрушения химических соединений происходят без изменения ядер атомов элементов, входящих в состав этих соединений. Изменения претерпевают только электронные оболочки. Химическая энергия, таким образом, связанa с энергией электронов. Чтобы понимать процессы образования и разрушения химических соединений, следует иметь представления о свойствах электрона вообще и особенно о свойствах и поведении электрона в атоме.
Электрон
- это элементарная частица, обладающая элементарным отрицательным электрическим зарядом, т. е. наименьшим могущим существовать количеством электричества. Заряд электрона равен эл. ст. ед. или кулона. Масса покоя электрона равна г, т.е. в 1837,14 раза меньше массы атома водорода. Масса электрона составляет углеродной единицы.
Модель атома по Бору.
В начале XX века М. Планк А. Эйнштейн создали квантовую теорию света, согласно которой свет является потоком отдельных квантов энергии, которую нecyт частицы света - фотоны
.
Величина кванта энергии
(E) различна для различных излучений и пропорциональна частоте колебаний :
,
где h - постоянная Планка.
М. Планк показал, что атомы поглощают или испускают лучистую энергию только отдельными вполне определенными порциями – квантами
.
Пытаясь увязать закон классической механики с квантовой теорией датский ученый Н. Бор считал, что электрон в атоме водорода может находиться лишь на определенных - постоянных орбитах, радиусы которых относятся друг к другу как квадраты целых чисел 
Эти орбиты Н. Бором были названы стационарными.
Излучение энергии происходит только при переходе электрона с более дальней орбиты на более близкую к ядру орбиту. При переходе же электрона с болей близкой орбиты на более дальнюю энергия атомом поглощается. 
, где - энергии электронов в стационарных состояниях.
При Ei > Ек энергия выделяется.
При Ei < Ек энергия поглощается.
Решение вопроса о распределении электронов в атоме основано на изучении линейчатых спектров элементов и их химических свойств. Спектр атома водорода почти полностью подтверждал теорию Н. Бора. Однако наблюдаемое расщепление спектральных линий у многоэлектронных атомов и усиление этого расщепления в магнитном и - электрических полях теория Н. Бора объяснить не могла.
Волновые свойства электрона.
Законы классической физики противопоставляют друг другу понятия «частица» и «волна». Современная физическая теория, получившие название квантовой, или волновой механики
, показала, что движение и взаимодействие частиц малой массы - микрочастиц происходят по законам, отличным от законов классической механики. Микрочастице одновременно присущи некоторые свойства корпускул (частиц) и некоторые свойства волн. С одной стороны, электрон, протон или другая микрочастица движется и действует подобно корпускуле, например, при соударении с другой микрочастицей. С другой стороны, при движении микрочастицы обнаруживаются типичные для электромагнитных волн явления интерференции и дифракции.
Таким образом, в свойствах электрона (как и других микрочастиц), в законах его движения проявляются неразрывность и взаимосвязь двух качественно различных форм существования материи, вещества и поля. Микрочастицу нельзя рассматривать ни как обыкновенную частицу, ни как обыкновенную волну. Микрочастица обладает корпускулярно-волновым дуализмом.
Говоря о взаимосвязи вещества и поля, можно прийти к выводу, что, если каждой материальной частице присуща определенная масса, то, по-видимому, этой же частице должна отвечать и определенной длины, волна. Возникает, вопрос о взаимосвязи массы и волны. В 1924 году французский физик Луи де Бройль высказал предположение, что с каждым движущимся электроном (и вообще с каждой движущейся материальной частицей) связан волновой процесс, длина волны которого , где - длина волны в см(м), h - постоянная Планка, равная 
эрг. сек (), m - масса частицы в г (кг), - скорость частицы, в см/сек.
Из этого уравнения видно, что частица, находящаяся в покое, должна иметь бесконечно большую, длину волны и что длина волны уменьшается с увеличением скорости частицы. Длина волны у движущейся частицы большой массы очень мала и экспериментально ее определить пока нельзя. По тому мы говорим о волновых свойствах только микрочастиц. Электрон обладает волновыми свойствами. Это значит, что его движение в атоме можно описать волновым уравнением.
Планетарная модель строения атома водорода, созданная Н. Бором, который исходил из представления об электроне только как классической частице, не может объяснить целого ряда свойств электрона. Квантовая механика показала, что представление о движении электрона вокруг ядра по определенным орбитам подобно движению планет вокруг Солнца, следует считать несостоятельным.
Электрон, обладая свойствами волны, движется по всему объему, образуя электронное облако, которое для электронов, находящихся в одном атоме, может иметь различную форму. плотность этого электронного облака в той или иной части атомного объема неодинакова.
Характеристика электрона четырьмя квантовыми числами.
Основная характеристика, определяющая движение электрона в поле ядра,- это его энергия. Энергия электрона, как и энергия частицы светового потока - фотона, принимает не любые, а лишь определенные дискретные, прерывные или, как говорят, квантующиеся значения.
Движущийся электрон обладает тремя степенями свободы перемещения в пространстве (соответственно трем координатным осям) и одной дополнительной степенью свободы, обусловленной наличием у электрона собственного механического и магнитного моментов, которые учитывают вращение электрона вокруг своей оси. Следовательно, для полной энергетической характеристики состояния электрона в атоме необходимо и достаточно иметь четыре параметра. Эти параметры получили название квантовых чисел
. Квантовые числа, так же как и энергия электрона, могут приникать не все, а лишь определенные значения. Соседние значения квантовых чисел различаются на единицу.
Главное квантовое число
n характеризует общий запас энергии электрона или его энергетический уровень. Главное квантовое число может принимать значения целых чисел от 1 до . Для электрона, находящегося в поле ядра главное квантовое число может принимать значения от 1 до 7 (соответственно номеру периода в периодической системе, в котором находится элемент). Энергетические уровни обозначаются или цифрами в соответствии со значениями главного квантового числа, или буквами:
п | |||||||
Обозначение уровня |
Если, например, n=4, то электрон, находится на четвертом, считая от ядра атома, энергетическом уровне, или на N уровне.
Орбитальное квантовое числа
l, которое иногда называют побочным квантовым числом, характеризует различное энергетическое состояние электрона данного уровня. Тонкая структура спектральных линий говорит о том, что электроны каждого энергетического уровня группируются в подуровни. Орбитальное квантовое число связано с моментом количества движения электрона при его движении относительно ядра атома. Орбитальное квантовое число определяет также форму электронного облака Квантовое число l может принимать все целочисленные значения от 0 до (п-1). Например, при n=4, l=0, 1, 2, 3. Каждому значению l соответствует определенный подуровень. Для подуровней применяются буквенные обозначения. Так, при l=0, 1, 2, 3 электроны находятся соответственно на s-, p-, d-, f- подуровнях. Электроны различных подуровней соответственно называют s-, p-, d-, f - электронами. Возможное число подуровней для каждого энергетического уровня равно номеру этого уровня, но не превышает четырех. Первый энергетический уровень (п=1) состоит из одного s-подуровня, второй (п=2), третий (п=3) и четвертый (п=4) энергетические уровни состоят соответственно из двух (s, p), трех (s, p, d) и четырех (s, p, d, f) подуровней. Больше четырех подуровней не может быть, так как значения l=0, 1, 2, 3 описываю электроны атомов всех 104 известных сейчас элементов.
Если l=0 (s-электроны), то момент количества движения электрона относительно ядра атома равен нулю. Это может быть только когда электрон поступательно движется не вокруг ядра, а от ядра к периферии и обратно. Электронное облако s-электрона имеет форму шара.
Магнитное квантовое число - c моментом количества движения электрона связан и его магнитный момент. Магнитное квантовое число характеризует магнитный момент электрона. магнитное квантовое число характеризует магнитный момент электрона и указывает на ориентацию электронного облака относительного избранного направления или относительно направления магнитного поля. Магнитное квантовое число может принимать любые целые положительные и отрицательные значения, включая и ноль в пределах от – l до + l. Например, если l=2, то имеет 2 l+1=5 значений (-2, -1, 0, +1, +2). При l=3 число значений равно 2 l+1=7 (-3, -2, -1, 0, +1, +2, +3). Число значений магнитного квантового числа, которое равно 2 l+1, - это число энергетических состояний, в которых могут находиться электроны данного подуровня. Таким образом, s-электроны имеют лишь одно состояние (2 l+1=1), p-электроны – 3 состояния (2 l+1=3), d-, f-электроны – соответственно 5 и 7 состояний. Энергетические состояния принято обозначать схематически энергетическими ячейками, изображая их в виде прямоугольников, а электроны в виде стрелок в этих ячейках.
Спиновое квантовое число
- характеризует внутреннее движение электрона - спин. Оно связано с собственным магнитным моментом электрона, обусловленным его движением вокруг своей оси. Это квантовое число может принимать только два значения: + 1/2 и -1/2, в зависимости от того, параллельно или антипараллельно магнитному полю, обусловленному движением электрона вокруг ядра, ориентируется магнитное поле спина электрона.
Два электрона (пара) с одинаковыми значениями квантовых чисел: n, I, но с противоположно направленными спинами ( ↓) называются спаренными или неподеленной парой электронов. Электроны с ненасыщенными спинами () называются неспаренными.
Принцип Паули, принцип наименьшей энергии, правило Гунда.
Распределение электронов в атомах элементов определяют три основных положения: принцип Паули, принцип наименьшей энергии и правило Гунда.
Принцип Паули.
Изучая многочисленные, спектры атомов швейцарский физик В. Паули в 1925 году пришел к выводу, который получил название принципа или запрета Паули: „Двум электронам атома запрещено быть во всех отношениях похожими друг на друга" или, что то же самое, „в атоме не может быть даже двух электронов с одинаковыми значениями всех четырех квантовых чисел". Энергетические состояния электронов, характеризуемые одинаковыми значениями трех квантовых чисел: n, I и m1 принято обозначать энергетической ячейкой .
Согласно принципу Паули, в энергетической ячейке может быть только два электрона, причем с противоположными спинами
Нахождение в одной энергетической ячейке третьего электрона означало бы, что у двух из них все четыре квантовых числа одинаковы. Число, возможных состояний электронов (рис. .4) на данной подуровне равно числу значений магнитного квантового числа для этого подуровня, т. е. 21+ 1. Максимальное число электронов на этом подуровне, согласно принципу Паули будет 2(21+ 1). Таким образом, на s-подуровне возможно 2 электрона; на p-подуровне 6 электронов; на d-подуровне 10 электронов; на f-подуровне 14 электронов. Число возможных состояний электронов на каком-либо уровне равно квадрату главного квантового числа а максимальное число электронов на этом уровне
Принцип наименьшей энергии.
Последовательность размещения электронов в атоме должна отвечать наибольшей связи их с ядром, т. е. электрон, должен обладать наименьшей энергией. Поэтому электрону необязательно занимать вышележащий энергетический уровень, если в нижележащем уровне есть места, располагаясь на которых электрон будет обладать меньшей энергией.
Так как энергия электрона в основном определяется значениями главного n и орбитального / квантовых чисел, то сначала заполняются те подуровни, для которых сумма значений квантовых чисел n и / является меньшей. Например, запас энергии на подуровне 4s(n +/ = 4 +0 = 4) меньше, чем на 3d(n + /= 3 + 2 = 5); на 5s (n + / = 5 + 0 = 5) меньше, чем на 4d(n + / = 4 + 2 = 6); на 5р(п + / = 5 +1 =6) меньше, чем на 4f(n + 1 = 4+3 = 7). Если для двух уровней суммы значений n и / равны, то сначала идет заполнение подуровня с меньшим значением п. Например, на подуровнях 3d, 4p, 5s суммы значений n и / равны пяти, в этом случае сначала заполняются подуровни с меньшими значениями главного квантового числа n, т. е. в следующей последовательности: 3d-4р-5s.
Когда энергии близких подуровней очень мало отличаются друг от друга, встречаются некоторые исключения из этого правила. Так, подуровень 5d заполняется одним электроном 5dl раньше 4f; 6d1-2 раньше 5f.
Заполнение энергетических уровней и подуровней идет в следующей последовательности: ls→2s→2p→3s→3p→4s→ 3d → 4р→ 5s → 4d → 5р→ 6s →(5dl) →4f→ 5d→6p→ 7s→ (6d1-2)→5f→ 6d→7p
Правило Гунда.
Электроны в пределах данного подуровня располагаются сначала каждый в отдельной ячейке в виде неспаренных „холостых" электронов. Иными словами, при данном значении I электроны в атоме располагаются так, что суммарное спиновое число их максимально. Например, если в трех р-ячейках надо разместить три электрона, то каждый из них будет располагаться в отдельной ячейке таким образом:
Электронные формулы атомов и схемы.
Принимая во внимание рассмотренные положения, легко представить распределение электронов по энергетическим уровням и подуровням в атомах любого элемента. Это распределение электронов в атоме записывается в виде так называемых электронных формул. В электронных формулах буквами s, p, d, f обозначаются энергетические подуровни электронов; цифры впереди букв означают энергетический уровень, в котором находится данный электрон, а индекс вверху справа - число электронов на данном подуровне. Например, запись 5р3 оначает, что 3 электрона располагаются на р-подуровне пятого энергетического уровня.
Чтобы составить электронную формулу атома любого элемента, достаточно знать номер данного элемента в периодической системе и выполнить основные положения, которым подчиняется распределение электронов в атоме.
Пусть, например, нужно составить электронные формулы для атомов серы, кальция, скандия, железа и лантана. Из периодической таблицы определяем номера данных элементов, которые соответственно равны 16, 20, 21, 26, . Это значит, что на энергетических уровнях и подуровнях у атомов данных элементов содержится соответственно 16, 20, 21, 26, 57 электронов. Соблюдая принцип Паули и принцип наименьшей энергии, т. е. последовательность заполнения энергетических уровней и подуровней, можно составить электронные формулы атомов этих элементов:
Структура электронной оболочки атома может быть изображена и в виде схемы размещения электронов по энергетическим ячейкам.
Для атомов железа такая схема имеет следующий вид:
На этой схеме наглядно видно выполнение правила Гунда. На Зd-подуровне максимальное количество, ячеек (четыре) заполнено неспаренными электронами. Изображение структуры электронной оболочки в атоме в виде электронных формул и в виде схем наглядно не отражает волновых свойств электрона. Однако следует помнить, что для каждого s-, р-, d-, f-электрона характерно свое электронное облако. Различная форма электронного облака указывает на то, что электрон имеет неодинаковую вероятность нахождения в данной области пространства атома. В зависимости от значения магнитного квантового числа m1 ориентация электронного облака в пространстве будет также различной.
Введение……………………………………………………………………… | ||
Основная часть……………………………………………………………… | ||
Определение электрона, его открытие …………..…...…………… | ||
Свойства электрона ………………………………………………… | ||
Строение электронных оболочек ……..………………………….. | ||
Выводы ………………………………………………………………. | ||
Заключение…………………………………………………………………… | ||
Список литературы………………………………………………………….. | ||
Приложения | ||
Приложение 1………………………………………………………………. |
Вступление
Первое представление, что такое атом, электрон, электронные оболочки нам дали ещё в 8-ом классе. Это были азы, самое простое объяснение сложнейшего, как потом оказалось, материала. Для меня в 8 классе самых простых объяснений было достаточно. Но не так давно, месяца 2-3 назад, я начал задумываться, а как же на самом деле устроен атом, как движется электрон, что такое «электронная орбиталь» в полном её понимании. Сначала я пытался сам подумать над этим, но ничего «дельного», по моим представлениям, у меня не выходило. Тогда я начал изучать дополнительную литературу, чтобы получить полное представление о микромире и ответить на вопросы, которые меня интересуют. С каждой новой строкой из прочитанного для меня открывалось что-то новое. Далее я попытался изложить то, что смог изучить и частично (ибо знания такого высокого уровня даются в университетах и изучаются множеством учёных всего мира, и школьнику такой материал в полном смысле осознать очень сложно) понять за это время.
Основная часть
1. Определение электрона, его открытие.
Электрон – стабильная, отрицательно заряженная элементарная частица , одна из основных структурных единиц вещества.
Является фермионом (то есть имеет полуцелый спин ). Относится к лептонам (единственная стабильная частица среди заряженных лептонов). Из электронов состоят электронные оболочки атомов , где их число и положение определяет почти все химические свойства веществ. Движение свободных электронов обусловливает такие явления, как электрический ток в проводниках и вакууме .
Датой открытияэлектрона считается 1897 год, когда Томсоном был поставлен эксперимент по изучению катодных лучей. Первые снимки треков отдельных электронов были получены Чарльзом Вильсоном при помощи созданной им туманной камеры.
2. Свойства электрона.
А. Масса и заряд частицы.
Заряд электрона неделим и равен −1,(35)·10−19 Кл. Он был впервые непосредственно измерен в экспериментах А. Ф. Иоффе (1911) и Р. Милликена (1912). Эта величина служит единицей измерения электрического заряда других элементарных частиц (в отличие от заряда электрона, элементарный заряд обычно берётся с положительным знаком). Масса электрона равна 9,(40)·10−31 кг.
Б. Невозможность описания электрона через классические законы механики и электродинамики.
Долгое время знаний о действительном строении атома не было. В конце XIX – начале XX в. в. было доказано, что атом является сложной частицей, состоящей из более простых (элементарных) частиц. В 1911 г. на основании экспериментальных данных английский физик Э. Резерфорд предложил ядерную модель атома с почти полной концентрацией массы в относительно малом объеме. Ядро атома, состоящее из протонов и нейтронов, имеет положительный заряд. Оно окружено электронами, несущими отрицательный заряд.
Описать движение электронов в атоме с позиций классической механики и электродинамики невозможно, так как:
· если утверждать, что электрон (как цельное тело) движется по замкнутой круговой орбите вокруг ядра со Ѵ~ м/c (т. е. рассматривать с позиции классической механики), то под действием центростремительной силы он в кратчайшее время (~ сек) должен будет упасть на ядро атома, что приведёт к не существованию атома как такового и не существованию молекул, т. к. электроны осуществляют взаимодействие между атомами;
· если рассматривать электрон как заряженное тело (т. е. рассматривать с позиции электродинамики), то он неизбежно должен притянуться положительно заряженным ядром, а также при движении он будет излучать электромагнитное поле и терять при этом энергию, что неизбежно приведёт к аналогичной ситуации, что и в случае рассмотрения с позиции классической механики.
Вот что писал Нильс Бор:
«Недостаточность классической электродинамики для объяснения свойств атома на основе модели резерфордовского типа ясно проявляется при рассмотрении простейшей системы, состоящей из положительно заряженного ядра очень малого размера и электрона, движущегося по замкнутой орбите вокруг ядра. Ради простоты примем, что масса электрона пренебрежимо мала по сравнению с массой ядра, а скорость электронов мала по сравнению со скоростью света.
Сначала допустим, что излучение энергии отсутствует. В этом случае электрон будет двигаться по стационарным эллиптическим орбитам… Теперь рассмотрим влияние излучения энергии, как оно обычно измеряется по ускорению электрона. В этом случае электрон уже не будет двигаться по стационарным орбитам. Энергия W будет непрерывно убывать, и электрон будет приближаться к ядру, описывая всё меньшие орбиты со всё возрастающей частотой; в то время как электрон в среднем выигрывает в кинетической энергии, система в целом теряет энергию. Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока размеры орбит станут того же порядка, что и размеры электронов или ядра. Простой расчёт показывает, что испускаемая во время указанного процесса энергия неизмеримо больше той, которая испускается при обычных молекулярных процессах. Очевидно, что поведение такой системы совершенно отлично от того, что действительно происходит с атомной системой в природе. Во-первых, реальные атомы длительное время имеют определённые размеры и частоты. Далее представляется, что если рассмотреть какой-либо молекулярный процесс, то после излучения определённого количества энергии, характерного для излучаемой системы, эта система всегда вновь окажется в состоянии устойчивого равновесия, в котором расстояния между частицами будут того же порядка величины, что и до процесса».
В. Постулаты Бора.
Основные допущения, сформулированные Нильсом Бором в 1913 году для объяснения закономерности линейчатого спектра атома водорода и водородоподобных ионов, а также квантового характера испускания и поглощения света. Бор исходил из планетарной модели атома Резерфорда.
· Атом может находиться только в особенных стационарных, или квантовых, состояниях, каждому из которых отвечает определенная энергия. В стационарном состоянии атом не излучает электромагнитных волн.
· Электрон в атоме , не теряя энергии, двигается по определённым дискретным круговым орбитам для которых момент импульса квантуется . Пребывание электрона на орбите определяет энергию этих стационарных состояний.
· При переходе электрона с орбиты (энергетический уровень) на орбиту излучается или поглощается квант энергии h ν = En − Em , где En ; Em – энергетические уровни , между которыми осуществляется переход. При переходе с верхнего уровня на нижний энергия излучается, при переходе с нижнего на верхний - поглощается.
a) «Динамическое равновесие системы в стационарных состояниях можно рассматривать с помощью обычной механики, тогда как переход системы из одного стационарного состояния в другое нельзя трактовать на этой основе.
b) Указанный переход сопровождается испусканием монохроматического излучения, для которого соотношение между частотой и количеством выделенной энергии именно такое, которое дает теория Планка…»
позволили Бору составить свою теорию строения атома или Боровскую модель атома.
Она представляет собой полуклассическую модель атома, за основу которой взята теория Резерфорда о строении атома. Используя выше изложенные допущения и законы классической механики, а именно равенство силы притяжения электрона со стороны ядра и центробежной силы, действующей на вращающийся электрон, Бор получил следующие значения для радиуса стационарной орбиты и энергии находящегося на этой орбите электрона:
https://pandia.ru/text/78/008/images/image006_77.gif" alt="m_e" width="24" height="12"> - масса электрона, Z - количество протонов в ядре, - диэлектрическая постоянная, e - заряд электрона.
Именно такое выражение для энергии можно получить, применяя уравнение Шрёдингера , решая задачу о движении электрона в центральном кулоновском поле.
Радиус первой орбиты в атоме водорода R0=5,(36)·10−11 м, ныне называется боровским радиусом , либо атомной единицей длины и широко используется в современной физике. Энергия первой орбиты эВ представляет собой энергию ионизации атома водорода.
Примечание: данная модель – это грубое применение законов электродинамики с некоторыми допущениями для объяснения движения электрона исключительно в атоме водорода. Для более сложных систем с большим количеством электронов данная теория неприемлема. Она является следствием более общих квантовых законов.
Г. Корпускулярно-волновой дуализм.
В классической механике рассматривается два вида движения: движение тела с локализацией перемещающегося объекта в каждой точке траектории в определенный момент времени и движение волны , делокализованной в пространстве среды. Для микрообъектов такое разграничение движения невозможно. Эту особенность движения называют корпускулярно-волновым дуализмом.
Корпускулярно-волновой дуализм – способность микрочастицы, обладающей массой, размерами и зарядом, одновременно проявлять и свойства, характерные для волн, например, способность к дифракции. В зависимости от того, какие свойства частиц изучаются, они проявляют либо одни, либо другие свойства.
Автором идеи корпускулярно-волнового дуализма стал А. Эйнштейн , который предложил рассматривать кванты электромагнитного излучения – фотоны – как движущиеся со скоростью света частицы, имеющие нулевую массу покоя. Их энергия равна E = mc 2 = h ν = hc / λ ,
где m - масса фотона, с - скорость света в вакууме, h - постоянная Планка, ν - частота излучения, λ - длина волны.
В 1924 году французский физик Луи де Бройль выдвинул идею о том, что волновой характер распространения, установленный для фотонов, имеет универсальный характер. Он должен проявляться для любых частиц, обладающих импульсом . Все частицы, имеющие конечный импульс , обладают волновыми свойствами, в частности, подвержены интерференции и дифракции .
Формула де Бройля устанавливает зависимость длины волны , связанной с движущейся частицей вещества, от импульса частицы:
где - масса частицы, - ее скорость, - постоянная Планка . Волны, о которых идет речь, называются волнами де Бройля. Формула де Бройля экспериментально подтверждается опытами по рассеянию электронов и других частиц на кристаллах и по прохождению частиц сквозь вещества. Признаком волнового процесса во всех таких опытах является дифракционная картина распределения электронов (или других частиц) в приемниках частиц.
Волны де Бройля имеют специфическую природу, не имеющую аналогии среди волн, изучаемых в классической физике: квадрат модуля амплитуды волны де Бройля в данной точке является мерой вероятности того, что частица обнаруживается в этой точке. Дифракционные картины, которые наблюдаются в опытах, являются проявлением статистической закономерности, согласно которой частицы попадают в определенные места в приёмниках – туда, где интенсивность волны де Бройля оказывается наибольшей. Частицы не обнаруживаются в тех местах, где, согласно статистической интерпретации, квадрат модуля амплитуды «волны вероятности» обращается в нуль.
Данная теория положила начало становления квантовой механики. В настоящий момент концепция корпускулярно-волнового дуализма представляет лишь исторический интерес, так как служила только интерпретацией, способом описать поведение квантовых объектов, подбирая ему аналогии из классической физики. На деле квантовые объекты не являются ни классическими волнами, ни классическими частицами, приобретая свойства первых или вторых лишь в некотором приближении.
Д. Принцип неопределённости Гейзенберга.
В 1927 г. немецкий физик-теоретик В. Гейзенберг сформулировал принцип неопределенности, заключающийся в принципиальной невозможности одновременно точно определить положение микрочастицы в пространстве и ее импульс:
Δpx · Δ x ≥ h / 2π,
где Δpx = m Δvx x - неопределенность (ошибка в определении) импульса микрообъекта по координате х ; Δx - неопределенность (ошибка в определении) положения микрообъекта по этой координате.
Таким образом, чем точнее определена скорость, тем меньше известно о местоположении частицы, и наоборот.
Поэтому для микрочастицы (в данном случае электрона) становится неприемлемым понятие о траектории движения, поскольку оно связано с конкретными координатами и импульсом частицы. Можно лишь говорить о вероятности обнаружить ее какой-то областях пространства.
Произошел переход от "орбит движения" электронов, введенных Бором, к понятию орбитали – области пространства, где вероятность пребывания электронов максимальна.
3. Строение электронных оболочек.
Электронная оболочка атома – область пространства вероятного местонахождения электронов, характеризующихся одинаковым значением главного квантового числа n и, как следствие, располагающихся на близких энергетических уровнях. Число электронов в каждой электронной оболочке не превышает определенного максимального значения.
Электронная оболочка атома – это совокупность атомных орбиталей с одинаковым значением главного квантового числа n.
a ) Понятие об атомной орбитали.
Атомная орбиталь – это одноэлектронная волновая функция в сферически симметричном электрическом поле атомного ядра, задающаяся главным n , орбитальным l и магнитным m квантовыми числами.
1) Волновая функция - комплексная функция, описывающая состояние квантовомеханической системы. (Атом водорода принимается как простейшая квантовая система. Именно на его основе делаются все вычисления, связанные с волновой функцией.)
Самым важным является физический смысл волновой функции. Он состоит в следующем:
« плотность вероятности нахождения частицы в данной точке пространства в данный момент времени считается равной квадрату абсолютного значения волновой функции этого состояния в координатном представлении.»
Волновая функция системы А частиц содержит координаты всех частиц: ψ(1,2,...,A, t).
Квадрат модуля волновой функции отдельной частицы |ψ(,t)|2 = ψ*(,t)ψ(,t) дает вероятность обнаружить частицу в момент времени t в точке пространства, описываемой координатами , а именно, |ψ(,t)|2dv ≡ |ψ(x, y, z, t)|2dxdydz это вероятность найти частицу в области пространства объемом dv = dxdydz вокруг точки x, y, z. Аналогично, вероятность найти в момент времени t систему А частиц с координатами 1,2,...,A в элементе объема многомерного пространства дается величиной |ψ(1,2,...,A, t)|2dv1dv2...dvA.
Принцип неопределённости Гейзенберга накладывает некоторые рамки точности расчёта волновой функции.
Значение волновой функции находится путём решения так называемого уравнения Шрёдингера.
2) Уравнение Шрёдингера - уравнение, описывающее изменение в пространстве и во времени чистого (квантового) состояния , задаваемого волновой функцией.
Оно было предложено в 1926 г. немецким физиком Э. Шрёдингером для описания состояния электрона в атоме водорода.
3) Физический смысл волновой функции даёт понять геометрический смысл атомной орбитали, заключающийся в следующем:
«Атомная орбиталь является областью пространства, ограниченная поверхностью равной плотности вероятности или заряда . Плотность вероятности на граничной поверхности выбирают исходя из решаемой задачи, но, обычно, таким образом, чтобы вероятность нахождения электрона в ограниченной области лежала в диапазоне значений 0, 9 - 0,99»
4) Квантовые числа – это числа, которые задают форму орбитали, энергию и момент импульса электрона.
· Главное квантовое число n может принимать любые целые положительные значения, начиная с единицы (n = 1,2,3, … ∞) и определяет общую энергию электрона на данной орбитали (энергетический уровень) :
Энергия для n = ∞ соответствует энергии одноэлектронной ионизации для данного энергетического уровня.
· Орбитальное квантовое число (называемое также азимутальным или дополнительным квантовым числом) определяет момент импульса электрона и может принимать целые значения от 0 до n - 1 (l = 0,1, …, n - 1). Момент импульса при этом задаётся соотношением
Атомные орбитали принято называть по буквенному обозначению их орбитального числа:
Буквенные обозначения атомных орбиталей произошли от описания спектральных линий в атомных спектрах: s (sharp ) - резкая серия в атомных спектрах, p (principal )- главная, d (diffuse ) - диффузная, f (fundamental ) - фундаментальная.
· Магнитное квантовое число ml
Движение электрона по замкнутой орбите вызывает появление магнитного поля. Состояние электрона, обусловленное орбитальным магнитным моментом электрона (в результате его движения по орбите), характеризуется третьим квантовым числом – магнитным ml. Это квантовое число характеризует ориентацию орбитали в пространстве, выражая проекцию орбитального момента импульса на направление магнитного поля.
Соответственно ориентации орбитали относительно направления вектора напряжённости внешнего магнитного поля, магнитное квантовое число может принимать значения любых целых чисел, как положительных, так и отрицательных, от – l до +l, включая 0, т. е. всего (2l + 1) значений. Например, при l = 0, ml = - 1, 0, +1.
Таким образом, ml характеризует величину проекции вектора орбитального момента количества движения на выделенное направление. Например, p-орбиталь в магнитном поле может ориентироваться в пространстве в 3-х различных положениях. [ 9. 55]
5) Оболочки.
Электронные оболочки обозначаются буквами K, L, M, N, O, P, Q или цифрами от 1 до 7. Подуровни оболочек обозначаются буквами s, p, d, f, g, h, i или цифрами от 0 до 6. Электроны внешних оболочек обладают большей энергией, и, по сравнению с электронами внутренних оболочек, находятся дальше от ядра, что делает их более важными в анализе поведения атома в химических реакциях и в роли проводника, так как их связь с ядром слабее и легче разрывается.
6) Подуровни.
Каждая оболочка состоит из одного или нескольких подуровней, каждый из которых состоит из атомных орбиталей. К примеру, первая оболочка (K) состоит из одного подуровня «1s». Вторая оболочка (L) состоит из двух подуровней, 2s и 2p. Третья оболочка - из «3s», «3p» и «3d».
Для полного объяснения строения электронных оболочек необходимо выделить следующие 3 очень важных положения:
1) Принцип Паули.
Он был сформулирован швейцарским физиком В. Паули в 1925. Он заключается в следующем:
В атоме не может быть 2-х электронов, обладающих одинаковыми свойствами.
На самом деле, данный принцип более фундаментален. Он применим ко всем фермионам.
2) Принцип наименьшей энергии.
В атоме каждый электрон располагается так, чтобы его энергия была минимальна (что отвечает наибольшей связи его с ядром).
Т. к. энергия электрона в основном состоянии определяется главным квантовым числом n и побочным квантовым числом l, то сначала заполняются те подуровни, для которых сумма значений квантовых чисел n и l является наименьшей.
Исходя из этого впервые в 1961 году сформулировал общее положение, гласящее, что:
Электрон занимает в основном состоянии уровень не с минимальным значением n , а с наименьшем значением суммы n + l .
3) Правило Гунда.
При данном значении l (т. е. в пределах определённого подуровня) электроны располагаются таким образом, чтобы суммарный спин был максимальным.
Если, например, в трёх p-ячейках атома азота необходимо распределить три электрона, то они будут располагаться каждый в отдельной ячейке, т. е. размещаться на трёх разных p-орбиталях :
Выводы :
1) Движение и свойства электрона нельзя описать классическими законами механики и электродинамики. Электрон можно описать только в рамках квантовой физики.
2) Электрон не имеет чёткой орбиты вращения. Вокруг ядра существует электронное «облако», где электрон находится в любой точке пространства в любой момент времени.
3) Электрон обладает свойствами частицы и волны.
4) Существуют разные физико-математические методы описания характеристик электрона.
5) Атомные орбитали, каждая из которых состоит не более, чем из 2-х электронов, составляют электронную оболочку атома, электроны которой участвуют в образовании межатомных связей в молекулах.
Заключение.
В школе на начальном этапе не полностью раскрывают реальное представление о строении атома, электрона. Чтобы лучше узнать его строение, необходимо изучать дополнительную литературу. И у кого эта тема вызывает интерес, у того есть все возможности, чтобы углубить свои знания, и даже внести свой вклад в познание микрочастиц.
Первоначальных знаний о законах физики недостаточно для того, чтобы в полной мере описать объекты микромира, в данном случае – электроны.
Без понимания основ мироздания, фундаментальных понятий микромира, невозможно понять окружающий нас макро – и мегамир.
Список литературы
1. Википедия. Статья «Атомная орбиталь».
2. Википедия. «Волновая функция».
3. Википедия. Статья «Открытие электрона».
4. Википедия. Статья «Постулаты Бора».
5. Википедия. «Уравнение Шрёдингера».
6. Википедия. Статья «Электрон».
7. , . Хрестоматия по физике: учебное пособие для учащихся» стр.168: Из статьи Н. Бора «О строении атома и молекул». Часть первая. «Связывание электронов положительным ядром».
8. Кафедра МИТХТ. Основы строения вещества.
9. , . Начала химии.
Приложение 1
1. Сэр Джозеф Джон Томсон (18 декабря 1856 - 30 августа 1940) - английский физик, открывший электрон, лауреат Нобелевской премии по физике 1906 года. Большинство работ его посвящено явлениям электрическим, в последнее же время особенно прохождению электричества через газы исследованию лучей Рентгена и Беккереля.
2. Чарлз Томсон Риз Вильсон (14 февраля 1869, Гленкорс - 15 ноября 1959, Карлопс, пригород Эдинбурга) - шотландский физик, за разработку названной в его честь камеры Вильсона, которая дала «метод визуального обнаружения траекторий электрически заряженных частиц с помощью конденсации пара», Вильсон был удостоен в 1927 г. (совместно с Артуром Комптоном) Нобелевской премии по физике.
3. Эрне́ст Ре́зерфорд (30 августа 1871, Спринг Грув - 19 октября 1937, Кембридж) - британский физик новозеландского происхождения. Известен как «отец» ядерной физики, создал планетарную модель атома. Лауреат Нобелевской премии по химии 1908 года.
4. Нильс Хе́нрик Дави́д Бор (7 октября 1885, Копенгаген - 18 ноября 1962, Копенгаген) - датский физик-теоретик и общественный деятель, один из создателей современной физики. Лауреат Нобелевской премии по физике (1922). Был членом более чем 20 академий наук мира, в том числе иностранным почётным членом АН СССР (1929; членом-корреспондентом - с 1924).
Бор известен как создатель первой квантовой теории атома и активный участник разработки основ квантовой механики. Также он внёс значительный вклад в развитие теории атомного ядра и ядерных реакций, процессов взаимодействия элементарных частиц со средой.
5. Альбе́рт Эйнште́йн 14 марта 1879, Ульм, Вюртемберг, Германия - 18 апреля 1955, Принстон, Нью-Джерси, США) - физик–теоретик, один из основателей современной теоретической физики, лауреат Нобелевской премии по физике 1921 года, общественный деятель-гуманист. Жил в Германии (1879-1893, 1914-1933), Швейцарии (1893-1914) и США (1933-1955). Почётный доктор около 20 ведущих университетов мира, член многих Академий наук, в том числе иностранный почётный член АН СССР (1926). Автор множества книг и статей. Автор важнейших физических теорий: Общая теория относительности, Квантовая теория фотоэффекта и т. д.
6. Раймон, 7-й герцог Брольи , более известный как Луи де Бройль (15 августа 1892, Дьеп - 19 марта 1987, Лувесьен) - французский физик-теоретик, один из основоположников квантовой механики, лауреат Нобелевской премии по физике за 1929 год, член Французской академии наук (с 1933 года) и её непременный секретарь (с 1942 года), член Французской академии (с 1944 года).
Луи де Бройль является автором работ по фундаментальным проблемам квантовой теории. Ему принадлежит гипотеза о волновых свойствах материальных частиц (волны де Бройля или волны материи), положившая начало развитию волновой механики. Он предложил оригинальную интерпретацию квантовой механики, развивал релятивистскую теорию частиц с произвольным спином, в частности фотонов (нейтринная теория света), занимался вопросами радиофизики, классической и квантовой теориями поля, термодинамики и других разделов физики.
7. Ве́рнер Карл Ге́йзенберг (нем. 5 декабря 1901, Вюрцбург - 1 февраля 1976, Мюнхен) - немецкий физик-теоретик, один из создателей квантовой механики. Лауреат Нобелевской премии по физике (1932). Член ряда академий и научных обществ мира.
8. Эрвин Ру́дольф Йо́зеф Алекса́ндр Шрё́дингер (12 августа 1887, Вена - 4 января 1961, там же) - австрийский физик-теоретик, один из создателей квантовой механики. Лауреат Нобелевской премии по физике (1933). Член ряда академий наук мира, в том числе иностранный член Академии наук СССР (1934).
Шрёдингеру принадлежит ряд фундаментальных результатов в области квантовой теории, которые легли в основу волновой механики: он сформулировал волновые уравнения (стационарное и зависящее от времени уравнения Шрёдингера), разработал волновомеханическую теорию возмущений, получил решения ряда конкретных задач. Шрёдингер предложил оригинальную трактовку физического смысла волновой функции. Он является автором множества работ в различных областях физики: статистической механике и термодинамике, физике диэлектриков, теории цвета, электродинамике, общей теории относительности и космологии; он предпринял несколько попыток построения единой теории поля.
Фермио́н - по современным научным представлениям: элементарные частицы, из которых складывается вещество. К фермионам относят кварки, электрон, мюон, тау-лептон, нейтрино. В физике - частица (или квазичастица) с полуцелым значением спина. Своё название получили в честь физика Энрико Ферми.
Лептоны - фермионами, то есть их спин равен 1/2. Лептоны вместе с кварками составляют класс фундаментальных фермионов - частиц, из которых состоит вещество и у которых, насколько это известно, отсутствует внутренняя структура.
Линейчатый спектр водорода (или Спектральные серии водорода) – набор спектральных линий, которые получаются при переходе электронов с любого из вышележащих стационарных уровней на один нижележащий, являющийся основным для данной серии.
Момент импульса − величина, зависящая от того, сколько массы данного тела вращается, как она распределена относительно оси вращения, и с какой скоростью происходит вращение.
Стационарным состоянием называется состояние квантовой системы, при котором её энергия и другие динамические величины, характеризующие квантовое состояние, не изменяются.
Квантовое состояние - любое возможное состояние, в котором может находиться квантовая система.
В волновой механике описывается волновой функцией.
Электроном является элементарная частица, являющаяся одной из главных единиц в структуре вещества. Заряд электрона отрицательный. Самый точные измерения были сделаны в начале двадцатого века Милликеном и Иоффе.
Заряд электрона равен минус 1,602176487 (40)*10 -1 9 Кл.
Через эту величину измеряется электрический заряд других мельчайших частиц.
Общее понятие об электроне
В физике элементарных частиц говорится, что электрон — неделимый и не обладающий структурой. Он задействован в электромагнитных и гравитационных процессах, принадлежит к лептоновой группе, так же как и его античастица — позитрон. Среди других лептонов обладает самым легким весом. Если электроны и позитроны сталкиваются, это приводит к их аннигиляции. Подобная пара может возникнуть из гамма-кванта частиц.
До того как измерили нейтрино, именно электрон считался самой легкой частицей. В квантовой механике его относят к фермионам. Также электрон имеет магнитный момент. Если к нему относят и позитрон, то разделяют позитрон как положительно заряженную частицу, а электрон называют негатроном, как частицу с отрицательным зарядом.
Отдельные свойства электронов
Электроны относят к первому поколению лептонов, со свойствами частиц и волн. Каждый из них наделен состоянием кванта, которое определяют в результате измерения энергии, спиновой ориентации и других параметров. Принадлежность к фермионам у него раскрывается через невозможность нахождения в одном состоянии кванта одновременно двух электронов (по принципу Паули).
Его изучают так же, как квазичастицу в периодическом кристаллическом потенциале, у которой эффективная масса способна существенно отличаться от массы в состоянии покоя.
Посредством движения электронов происходит электрический ток, магнетизм и термо ЭДС. Заряд электрона в движении образует магнитное поле. Однако внешнее магнитное поле отклоняет частицу от прямого направления. При ускорении электрон приобретает способность поглощения или излучения энергии в качестве фотона. Из его множества состоят электронные атомические оболочки, число и положение которых определяют химические свойства.
Атомическая масса в основном состоит из ядерных протонов и нейтронов, в то время как масса электронов состовляет порядка 0,06 % от всего атомного веса. Электрическая сила Кулона является одной из главных сил, способных удерживать электрон рядом с ядром. Но когда из атомов создаются молекулы и возникают химические связи, электроны перераспределяются в новом образованном пространстве.
В появлении электронов участвуют нуклоны и адроны. Изотопы с радиоактивными свойствами способны излучать электроны. В условиях лабораторий эти частицы могут изучаться в специальных приборах, а например, телескопы могут детектировать от них излучения в плазменных облаках.
Открытие
Электрон открыли немецкие физики в девятнадцатом веке, когда изучали катодные свойства лучей. Затем другие ученые стали более детально изучать его, выводя в ранг отдельной частицы. Изучалось излучение и другие связанные физические явления.
К примеру, группа во главе с Томсоном оценила заряд электрона и массу катодных лучей, отношения которых, как она выяснили, не зависят от материального источника.
А Беккерель выяснил, что минералы излучают радиацию сами по себе, а их бета-лучи способны отклоняться посредством воздействия электрического поля, причем у массы и заряда сохранялось то же отношение, что и у катодных лучей.
Атомная теория
Согласно этой теории, атом состоит из ядра и электронов вокруг него, расположенных в виде облака. Они находятся в неких квантованных состояниях энергии, изменение которых сопровождается процессом поглощения или излучения фотонов.
Квантовая механика
В начале двадцатого века была сформулирована гипотеза, согласно которой материальные частицы имеют свойства как собственно частиц, так и волн. Также и свет способен проявляться в виде волны (ее называют волной де Бройля) и частиц (фотонов).
В результате было сформулировано знаменитое уравнение Шредингера, где описывалось распространение электронных волн. Этот подход и назвали квантовой механикой. При помощи него вычисляли электронные состояния энергии в атоме водорода.
Фундаментальные и квантовые свойства электрона
Частица проявляет фундаментальные и квантовые свойства.
К фундаментальным относятся масса (9,109*10 -31 килограмм), элементарный электрический заряд (то есть минимальная порция заряда). Согласно тем измерениям, что проведены до настоящего времени, у электрона не обнаруживается никаких элементов, способных выявить его субструктуру. Но некоторые ученые придерживаются мнения, что он является точечной заряженной частицей. Как указано в начале статьи, электронный электрический заряд - это -1,602*10 -19 Кл.
Являясь частицей, электрон одновременно может быть волной. Эксперимент с двумя щелями подтверждает возможность его одновременного прохождения через обе из них. Это вступает в противоречие со свойствами частицы, где каждый раз возможно прохождение только через одну щель.
Считается, что электроны имеют одинаковые физические свойства. Поэтому их перестановка, с точки зрения квантовой механики, не ведет к изменению системного состояния. Волновая функция электронов является антисимметричной. Поэтому ее решения обращаются в нуль тогда, когда одинаковые электроны попадают в одно квантовое состояние (принцип Паули).
Электрон. Образование и строение электрона. Магнитный монополь электрона.
(продолжение)
Часть 4. Строение электрона.
4.1. Электрон является двухкомпонентной частицей, которая состоит только из двух сверхуплотнённых (сгущенных, сконцентрированных) полей - электрического поля-минус и магнитного поля-N. При этом:
а) плотность электрона - максимально возможная в Природе;
б) размеры электрона (D = 10 -17 см и менее) - минимальные в Природе;
в) в соответствии с требованием минимизации энергии, все частицы - электроны, позитроны, частицы с дробным зарядом, протоны, нейтроны и пр. обязаны иметь (и имеют) сферическую форму;
г) по неизвестным пока причинам, независимо от величины энергии «родительского» фотона, абсолютно все электроны (и позитроны) рождаются абсолютно идентичными по своим параметрам (например - масса абсолютно всех электронов и позитронов составляет 0,511МэВ).
4.2. «Достоверно установлено, что магнитное поле электрона является таким же неотъемлемым свойством, как его масса и заряд. Магнитные поля у всех электронов одинаковы, как одинаковы их массы и заряды».(с) Это автоматически позволяет сделать однозначный вывод об эквивалентности массы и заряда электрона, то есть: масса электрона является эквивалентом заряда, и наоборот - заряд электрона является эквивалентом массы (для позитрона - аналогично).
4.3. Указанное свойство эквивалентности распространяется также и на частицы с дробными зарядами (+2/3) и (-1/3), которые являются основой кварков. То есть: масса позитрона, электрона и всех дробных частиц является эквивалентом их заряда, и наоборот - заряды этих частиц являются эквивалентом массы. Поэтому удельный заряд электрона, позитрона и всех дробных частиц одинаковый (const) и равен1,76*10 11 Кл/кг.
4.4. Поскольку элементарный квант энергии автоматически является элементарным квантом массы, то масса электрона (с учётом наличия дробных частиц 1/3 и 2/3) должна иметь значения, кратные массам трех отрицательных полуквантов. (См. также «Фотон. Строение фотона. Принцип перемещения. пункт 3.4.)
4.5. Определить внутреннее строение электрона весьма затруднительно по многим причинам, тем не менее, представляет значительный интерес хотя бы в первом приближении рассмотреть влияние двух компонент (электрической и магнитной) на внутреннее строение электрона. См. рис. 7.
Рис.7. Внутреннее строение электрона, варианты:
Вариант №1. Каждая пара лепестков отрицательного полукванта образует «микроэлектроны», которые затем формируют электрон. При этом количество «микроэлектронов» должно быть кратным трём.
Вариант №2. Электрон является двухкомпонентной частицей, которая состоит из двух состыкованных самостоятельных полусферических монополей - электрического(-) и магнитного(N).
Вариант №3. Электрон является двухкомпонентной частицей, которая состоит из двух монополей - электрического и магнитного. При этом магнитный монополь сферической формы расположен в центре электрона.
Вариант №4. Другие варианты.
По-видимому, может быть рассмотрен вариант когда электрические (-) и магнитные поля (N) могут существовать внутри электрона не только в виде компактных монополей, но и в виде однородной субстанции, то есть образуют практически бесструктурную? кристаллическую? гомогенную? частицу. Однако это весьма сомнительно.
4.6. Каждый из предложенных на рассмотрение вариантов имеет свои достоинства и недостатки, например:
а) Варианты №1. Электроны такой конструкции дают возможность спокойно образовывать дробные частицы с массой и зарядом кратным 1/3, но в то же время делают затруднительным объяснение собственного магнитного поля электрона.
б) Вариант №2. Этот электрон при движении вокруг ядра атома постоянно ориентирован на ядро своим электрическим монополем и поэтому может иметь только два варианта вращения вокруг своей оси - по часовой стрелке или против (запрет Паули?) и т.д.
4.7. При рассмотрении указанных (или вновь предложенных) вариантов в обязательном порядке необходимо учитывать реально существующие свойства и характеристики электрона, а также учитывать ряд обязательных требований, например:
Наличие электрического поля (заряда);
Наличие магнитного поля;
Эквивалентность некоторых параметров, например: масса электрона эквивалентна его заряду и наоборот;
Возможность образовывать дробные частицы массой и зарядом кратным 1/3;
Наличие набора квантовых чисел, спина и др.
4.8. Электрон появился как двухкомпонентная частица, у которой одна половина (1/2) является уплотнённым электрическим полем-минус (электрическим монополем-минус), а вторая половина (1/2) является уплотнённым магнитным полем (магнитным монополем-N). Однако при этом следует иметь в виду, что:
Электрические и магнитные поля при определённых условиях могут порождать друг друга (превращаться друг в друга);
Электрон не может быть однокомпонентной частицей и состоять на 100% из поля-минус, поскольку однозарядное поле-минус будет распадаться из-за сил отталкивания. Именно поэтому внутри электрона необходимо наличие магнитной компоненты.
4.9. К сожалению, провести полный анализ всех достоинств и недостатков предложенных вариантов и выбрать единственно правильный вариант внутреннего строения электрона в данной работе не представляется возможным.
Часть 5. «Волновые свойства электрона».
5.1. «К концу 1924г. точка зрения, согласно которой электромагнитное излучение ведет себя отчасти подобно волнам, а отчасти подобно частицам, стала общепринятой...И именно в это время француза Луи де Бройля, который в то время был аспирантом, осенила гениальная мысль: почему то же самое не может быть для вещества? Луи де Бройль проделал по отношению к частицам работу, обратную той, которую Эйнштейн провел для волн света. Эйнштейн связал электромагнитные волны с частицами света; де Бройль связал движение частиц с распространением волн, которые он назвал волнами материи. Гипотеза де Бройля основывалась на сходстве уравнений, описывающих поведение лучей света и частиц вещества, и носила исключительно теоретический характер. Для ее подтверждения или опровержения требовались экспериментальные факты».(с)
5.2. «В 1927 году американские физики К.Дэвиссон и К.Джермер обнаружили, что при «отражении» электронов от поверхности кристалла никеля при определённых углах отражения возникают максимумы. Аналогичные данные (возникновение максимумов) уже имелись по наблюдению дифракции рентгеновских волн лучей на кристаллических структурах. Поэтому появление этих максимумов у отражённых пучков электронов не могло быть объяснено никаким другим путём, кроме как на основе представлений о волнах и их дифракции.Таким образом, волновые свойства частиц — электронов (и гипотеза де Бройля) были доказаны экспериментом».(с)
5.3. Однако рассмотрение изложенного в данной работе процесса появления корпускулярных свойств у фотона (см. рис.5.) позволяет сделать вполне однозначные выводы:
а) по мере уменьшения длины волны с 10 -4 до 10 -10 {C}{C}{C}{C}{C}см электрические и магнитные поля фотона уплотняются
{C}{C}{C}{C}{C}{C}{C}{C}{C}{C}б) при уплотнении электрического и магнитного полей у «линии раздела» начинается стремительное увеличение «плотности» полей и уже в рентгеновском диапазоне плотность полей соизмерима с плотностью «обычной» частицы.
в) поэтому рентгеновский фотон при взаимодействии с препятствием уже не отражается от препятствия как волна, а начинает отскакивать от него как частица.
5.4. То есть:
а) уже в диапазоне мягкого рентгена электромагнитные поля фотонов настолько уплотнились, что обнаружить у них волновые свойства весьма затруднительно. Цитата: «Чем меньше длина волны фотона, тем труднее обнаружить у него свойства волны и тем сильнее у него проявляются свойства частицы».
б) в жестком рентгеновском и гамма-диапазоне фотоны ведут себя как стопроцентные частицы, и обнаружить у них волновые свойства уже практически невозможно. То есть: рентгеновский и гамма-фотон полностью теряет свойства волны и превращается в стопроцентную частицу. Цитата: «Энергия квантов в рентгеновском и гамма-диапазоне настолько велика, что излучение ведёт себя почти стопроцентно как поток частиц» (с).
в) поэтому в опытах по рассеиванию рентгеновского фотона от поверхности кристалла наблюдалась уже не волна, а обыкновенная частица, которая отскакивала от поверхности кристалла и повторяла строение кристаллической решётки.
5.5. До опытов К.Дэвиссона и К.Джермера уже имелись экспериментальные данные по наблюдению дифракции рентгеновских волн лучей на кристаллических структурах. Поэтому получив схожие результаты в опытах при рассеивании электронов на кристалле никеля, они автоматически приписали электрону волновые свойства. Однако электрон это «твердая» частица, которая имеет реальную массу покоя, габариты и пр. Не электрон-частица ведет себя как фотон-волна, а рентгеновский фотон имеет (и проявляет) все свойства частицы. Не электрон отражается от препятствия как фотон, а рентгеновский фотон отражается от препятствия как частица.
5.6. Поэтому: никаких «волновых свойств» у электрона (и других частиц) не было, нет и быть не может. И не существует никаких предпосылок и тем более возможностей для изменения данной ситуации.
Часть 6. Выводы.
6.1.Электрон и позитрон являются первыми и основообразующими частицами, наличие которых определило появление кварков, протонов, водорода и всех остальных элементов таблицы Менделеева.
6.2. Исторически, одну частицу назвали электроном и присвоили ей знак минус (материя), а другую назвали позитроном и присвоили ей знак плюс (антиматерия). «Электрический заряд электрона условились считать отрицательным в соответствии с более ранним соглашением называть отрицательным заряд наэлектризованного янтаря» (с).
6.3. Электрон может появиться (появиться = родится) только в паре с позитроном (электрон позитронная пара). Появление в Природе хотя бы одного «непарного» (одиночного) электрона или позитрона является нарушением закона сохранения заряда, общей электронейтральности материи и технически невозможно.
6.4. Образование электрон-позитронной пары в кулоновском поле заряженной частицы происходит после разделения элементарных квантов фотона в продольном направлении на две составляющие части: отрицательную - из которой формируется частица-минус (электрон) и положительную - из которой формируется частица-плюс (позитрон). Разделение электронейтрального фотона в продольном направлении на две абсолютно равные по массе, но разные по зарядам (и магнитным полям) части - это естественное свойство фотона, вытекающее из законов сохранения заряда и др. Наличие «внутри» электрона даже ничтожных количеств «частичек-плюс», а «внутри» позитрона - «частичек-минус» - исключается. Также исключается наличие внутри электрона и протона электронейтральных «частичек» (обрезков, кусочков, обрывков и т.д.) материнского фотона.
6.5. По неизвестным причинам абсолютно все электроны и позитроны рождаются эталонными «максимально-минимальными» частицами (т.е. они не могут быть больше и не может быть меньше по массе, заряду, габаритам и другим характеристикам). Образование из электромагнитных фотонов каких-либо более мелких или более крупных частиц-плюс (позитронов) и частиц-минус (электронов) - исключается.
6.6. Внутреннее строение электрона однозначно предопределено последовательностью его появления: электрон формируется как двухкомпонентная частица, которая на 50% является уплотнённым электрическим полем-минус (электрическим монополем-минус), и на 50% - уплотнённым магнитным полем (магнитным монополем- N). Эти два монополя могут рассматриваться как разнозарядные частицы, между которыми возникают силы взаимного притяжения (сцепления).
6.7. Магнитные монополи существуют, но не в свободном виде, а только как составные части электрона и позитрона. При этом магнитный монополь-(N) является неотъемлемой частью электрона, а магнитный монополь-(S) является неотъемлемой частью позитрона. Наличие магнитной составляющей «внутри» электрона обязательно, поскольку только магнитный монополь-(N) может образовать с однозарядным электрическим монополем-минус прочнейшую (и невиданную по силе) связь.
6.8. Электроны и позитроны обладают наибольшей стабильностью и являются частицами, распад которыхтеоретически и практически невозможен. Они являются неделимыми (по заряду и массе), то есть: самопроизвольное (или принудительное) разделение электрона или позитрона на несколько калиброванных или «разнокалиберных» частей - исключается.
6.9. Электрон вечен и он не может «исчезнуть» до тех пор, пока не встретится с другой частицей, имеющей равные по величине, но противоположные по знаку электрический и магнитный заряды (позитрон).
6.10. Поскольку из электромагнитных волн могут появиться только две эталонные (калиброванные) частицы: электрон и позитрон, то на их основе могут появиться только эталонные кварки, протоны и нейтроны. Поэтому вся видимая (барионная) материя нашей и всех других вселенных состоит из одинаковых химических элементов (таблица Менделеева) и везде действуют единые физические константы и фундаментальные законы, аналогичные «нашим» законам. Появление в любой точке бесконечного пространства «других» элементарных частиц и «других» химических элементов - исключается.
6.11. Вся видимая материя нашей Вселенной образовалась из фотонов (предположительно СВЧ-диапазона) по единственно возможной схеме: фотон → электрон-позитронная пара → дробные частицы → кварки, глюон → протон (водород). Поэтому вся «твёрдая» материя нашей Вселенной (включая Homo sapiens’ов) является уплотнёнными электрическими и магнитными полями фотонов. Других «материй» для её образования в Космосе не было, нет и быть не может.
P.S. Электрон неисчерпаем?