Специфичният заряд на електрона (т.е. съотношението) е измерен за първи път от Томсън през 1897 г. с помощта на разрядната тръба, показана на Фиг. 74.1. Електронният лъч, излизащ от отвора в анод А (катодни лъчи; виж § 85), преминава между пластините на плосък кондензатор и удря флуоресцентния екран, създавайки светещо петно върху него.
Чрез прилагане на напрежение към пластините на кондензатора беше възможно да се повлияе на лъча с почти равномерно електрическо поле. Тръбата беше поставена между полюсите на електромагнит, с помощта на който беше възможно да се създаде равномерно магнитно поле, перпендикулярно на електрическото, на същия участък от пътя на електроните (областта на това поле е кръгла на фиг. 74.1 с пунктиран кръг). Когато полетата бяха изключени, лъчът удари екрана в точка O. Всяко от полетата поотделно доведе до изместване на лъча във вертикална посока. Стойностите на изместване се определят по формули (73.3) и (73.4), получени в предходния параграф.
Чрез включване на магнитното поле и измерване на изместването на следата на лъча, причинено от него
Томсън също включи електрическото поле и избра стойността му така, че лъчът отново да удари точка О. В този случай електрическото и магнитното поле действаха върху електроните на лъча едновременно с еднакви, но противоположно насочени сили. В този случай условието е изпълнено
Решавайки заедно уравнения (74.1) и (74.2), Томсън изчислява .
Буш използва метода на магнитно фокусиране, за да определи специфичния заряд на електроните. Същността на този метод е следната. Да приемем, че в еднородно магнитно поле от определена точка излита леко разминаващ се сноп електрони, симетричен спрямо посоката на полето, имащ еднаква скорост v. Посоките, в които се излъчват електрони, образуват малки ъгли a с посока B. В § 72 беше установено, че електроните се движат в този случай по спирални траектории, завършвайки в същото време
пълен оборот и преместване по посока на полето на разстояние равно на
Поради малкия ъгъл a разстоянията (74,3) за различните електрони се оказват практически еднакви и равни (за малки ъгли). Следователно, леко разминаващ се лъч ще бъде фокусиран в точка, разположена на разстояние от точката на емисия на електрони
В експеримента на Буш електроните, излъчени от горещия катод K (фиг. 74.2), се ускоряват чрез потенциална разлика U, приложена между катода K и анода A. В резултат на това те придобиват скорост u, чиято стойност може да се намери от връзката
След като излетят от отвора в анода, електроните образуват тесен лъч, насочен по оста на вакуумираната тръба, поставена вътре в соленоида. На входа на соленоида е поставен кондензатор, към който се подава променливо напрежение. Полето, създадено от кондензатора, отклонява електроните на лъча от оста на устройството под малки ъгли, които се променят с времето. Това води до "завъртане" на лъча - електроните започват да се движат по различни спирални траектории. На изхода на соленоида е поставен флуоресцентен екран. Ако изберете магнитната индукция B така, че разстоянието Г от кондензатора до екрана да отговаря на условието
(l е стъпката на спиралата, е цяло число), тогава точката на пресичане на траекториите на електроните ще удари екрана - електронният лъч ще бъде фокусиран в тази точка и ще възбуди остро светещо петно на екрана. Ако условие (74.6) не е изпълнено, светещото петно на екрана ще бъде замъглено. След като решим заедно уравнения (74.4), (74.5) и (74.6), можем да намерим
Най-точната стойност на специфичния заряд на електрона, установена като се вземат предвид резултатите, получени по различни методи, е равна на
Стойността (74.7) дава съотношението на заряда на електрона към неговата маса в покой. В експериментите на Томсън, Буш и други подобни експерименти съотношението на заряда към релативистката маса беше определено равно на
В експериментите на Томсън скоростта на електроните е приблизително 0,1 s. При тази скорост релативистката маса превишава масата на покой с 0,5%. В следващите експерименти скоростта на електроните достигна много високи стойности. Във всички случаи беше установено намаляване на измерените стойности с увеличаване на v, което се случи в точно съответствие с формула (74.8).
Зарядът на електрона е определен с голяма точност от Миликан през 1909 г. Миликан вкарва малки капчици масло в затвореното пространство между хоризонтално разположените пластини на кондензатора (фиг. 74.3). При напръскване капките се наелектризираха и можеха да бъдат неподвижни чрез избиране на стойността и знака на напрежението на кондензатора.
Равновесието е настъпило при условието
тук е зарядът на капката, P е резултатната от гравитацията и архимедовата сила, равна на
(74.10)
( - плътност на капката, - нейният радиус, - плътност на въздуха).
От формули (74.9) и (74.10), знаейки , беше възможно да се намери . За да се определи радиусът, беше измерена скоростта на равномерно падане на капката при липса на поле. Равномерното движение на капката се установява при условие, че силата P е балансирана от съпротивителната сила (виж формула (78.1) от 1-ви том; - вискозитет на въздуха):
(74.11)
Движението на капката се наблюдава с помощта на микроскоп. За измерването беше определено времето, необходимо на една капка да измине разстоянието между две нишки, видими в зрителното поле на микроскопа.
Много е трудно да се фиксира точно равновесието на капчица. Следователно вместо поле, което отговаря на условието (74.9), се включва поле, под въздействието на което капката започва да се движи нагоре с ниска скорост. Равномерната скорост на изкачване се определя от условието, че силата P и общата сила балансират силата
Като изключим P и от уравнение (74.10), (74.11) и (74.12), получаваме израз за
(Миликен направи изменение на тази формула, като взе предвид, че размерите на капките са сравними със свободния път на въздушните молекули).
И така, чрез измерване на скоростта на свободно падане на капка и скоростта на нейното издигане в известно електрическо поле беше възможно да се намери зарядът на капката e. След като измери скоростта при определена стойност на заряда, Миликан предизвика йонизация на въздуха чрез облъчване на пространството между плочите с рентгенови лъчи. Отделни йони, полепнали по капката, променят нейния заряд, в резултат на което се променя и скоростта. След измерване на новата стойност на скоростта пространството между плочите отново беше облъчено и т.н.
Промените в заряда на капката и самия заряд, измерен от Миликан всеки път, се оказват цели числа, кратни на една и съща стойност. По този начин беше експериментално доказана дискретността на електрическия заряд, т.е. фактът, че всеки заряд е съставен от елементарни заряди с еднакъв размер.
Стойността на елементарния заряд, установен, като се вземат предвид измерванията на Millikan и данните, получени по други методи, е равна на
Структура на материята.
Структурата на атома.
Атомът е най-малката частица от химичен елемент, носител на всички негови химични свойства. Атомът е химически неделим. Атомите могат да съществуват или в свободно състояние, или в комбинация с атоми на същия елемент или друг елемент.
Единицата за атомна и молекулна маса понастоящем се приема за 1/12 от масата на въглероден атом с атомна маса 12 (изотоп). Тази единица се нарича въглеродна единица.
Маса и размер на атомите. Числото на Авогадро.
Един грам атом, точно като грам молекула от всяко вещество, съдържа съответно 6,023 10^23 атома или молекули. Това число се нарича число на Авогадро (N0). И така, в 55,85 g желязо, 63,54 g мед, 29,98 g алуминий и т.н. има брой атоми, равен на числото на Авогадро.
Познавайки числото на Авогадро, не е трудно да се изчисли масата на един атом от всеки елемент. За да направите това, грам-атомната маса на един атом трябва да бъде разделена на 6,023 10^23. Така масата на водородния атом (1) и масата на въглеродния атом (2) са съответно равни: 
Въз основа на числото на Авогадро може да се оцени обемът на един атом. Например, плътността на медта е 8,92 g/cm^3, а грам-атомната маса е 63,54 g. Това означава, че един грам-атом мед заема обема 
, а на един меден атом има обем 
.
Атомна структура.
Атомът е сложна формация и се състои от множество по-малки частици. Атомите на всички елементи се състоят от положително заредено ядро и електрони - отрицателно заредени частици с много малка маса. Ядрото заема незначителна част от общия обем на атома. Диаметърът на атома е cm, а диаметърът на ядрото е cm.
Въпреки че диаметърът на ядрото на атома е 100 000 пъти по-малък от диаметъра на самия атом, почти цялата маса на атома е концентрирана в неговото ядро. От това следва, че плътността на атомните ядра е много висока. Ако беше възможно да се съберат 1 cm3 атомни ядра, тогава масата му би била около 116 милиона тона.
Ядрото се състои от протони и неутрони. Тези частици имат общо име - нуклони.
Протон- - стабилна елементарна частица с маса, близка до въглеродна единица. Зарядът на протона е равен на заряда на електрода, но с обратен знак. Ако зарядът на електрона се приеме за -1, тогава зарядът на протона е +1. Протонът е водороден атом, в който липсва електрон.
Неутрон– атомна обвивка, чийто отрицателен заряд компенсира положителния заряд на ядрото поради наличието на протони в него.
По този начин броят на електроните в един атом е равен на броя на протоните в неговото ядро.
Връзката между броя на протоните, броя на неутроните и масовото число на атома се изразява с уравнението: N=A-Z
Следователно броят на неутроните в ядрото на атома на всеки елемент е равен на разликата между неговото масово число и броя на протоните.
Така броят на неутроните в ядрото на радиев атом с маса 226 N=A-Z=226-88=138
Маса и заряд на електрона.
Всички химични процеси на образуване и разрушаване на химични съединения протичат без промяна на ядрата на атомите на елементите, които изграждат тези съединения. Само електронните черупки претърпяват промени. Така химическата енергия е свързана с енергията на електроните. За да разберете процесите на образуване и разрушаване на химичните съединения, трябва да имате представа за свойствата на електрона като цяло и особено за свойствата и поведението на електрона в атома.
Електроне елементарна частица, която има елементарен отрицателен електрически заряд, т.е. най-малкото количество електричество, което може да съществува. Зарядът на електрона е равен на ел. Изкуство. единици или висулка. Масата на покой на електрона е равна на g, т.е. 1837,14 пъти по-малко от масата на водороден атом. Масата на електрона е въглеродна единица.
Модел на атома на Бор.
В началото на 20-ти век М. Планк А. Айнщайн създава квантовата теория за светлината, според която светлината е поток от отделни кванти енергия, пренасяни от частици светлина - фотони.
Големината на енергийния квант(E) е различно за различните лъчения и е пропорционално на честотата на трептене:
,
където h е константата на Планк.
М. Планк показа, че атомите абсорбират или излъчват лъчиста енергия само в отделни, добре дефинирани части - кванти.
Опитвайки се да свърже закона на класическата механика с квантовата теория, датският учен Н. Бор вярва, че електрон във водороден атом може да бъде само в определени - постоянни орбити, радиусите на които са свързани помежду си като квадрати на цели числа 
Тези орбити са наречени от Н. Бор стационарни.
Енергията се излъчва само когато електрон се движи от по-далечна орбита към орбита, по-близка до ядрото. Когато един електрон се движи от близка орбита към по-далечна, енергията се абсорбира от атома. 
, където са енергиите на електроните в стационарни състояния.
Когато Ei > Ek се освобождава енергия.
Когато Ei< Ек энергия поглощается.
Решението на проблема за разпределението на електроните в атома се основава на изследването на линейните спектри на елементите и техните химични свойства. Спектърът на водородния атом почти напълно потвърди теорията на Н. Бор. Но теорията на Н. Бор не може да обясни наблюдаваното разцепване на спектралните линии в многоелектронните атоми и засилването на това разцепване в магнитни и електрически полета.
Вълнови свойства на електрона.
Законите на класическата физика противопоставят понятията „частица“ и „вълна“ едно с друго. Съвременната физическа теория, наречена квантова, или вълнова механика, показа, че движението и взаимодействието на частици с малка маса - микрочастици - се извършват по закони, различни от законите на класическата механика. Една микрочастица има едновременно някои свойства на корпускули (частици) и някои свойства на вълни. От една страна, електрон, протон или друга микрочастица се движи и действа като корпускула, например при сблъсък с друга микрочастица. От друга страна, когато една микрочастица се движи, се разкриват явленията на интерференция и дифракция, характерни за електромагнитните вълни.
По този начин в свойствата на електрона (както и на други микрочастици), в законите на неговото движение се проявява непрекъснатостта и взаимовръзката на две качествено различни форми на съществуване на материя, вещество и поле. Микрочастицата не може да се разглежда нито като обикновена частица, нито като обикновена вълна. Микрочастицата има двойственост вълна-частица.
Говорейки за връзката между материя и поле, можем да стигнем до извода, че ако всяка материална частица има определена маса, тогава, очевидно, същата тази частица трябва да има и определена дължина на вълната. Възниква въпросът за връзката между маса и вълна. През 1924 г. френският физик Луи дьо Бройл предполага, че с всеки движещ се електрон (и като цяло с всяка движеща се материална частица) е свързан вълнов процес, чиято дължина на вълната е , където е дължината на вълната в cm (m), h е дължината на вълната на Планк константа, равна на 
ерг. sec (), m - маса на частиците в g (kg), - скорост на частиците, в cm/sec.
От това уравнение става ясно, че една частица в покой трябва да има безкрайно дълга дължина на вълната и че дължината на вълната намалява с увеличаване на скоростта на частицата. Дължината на вълната на движеща се частица с голяма маса е много малка и все още не може да бъде определена експериментално. Ето защо говорим само за вълновите свойства на микрочастиците. Електронът има вълнови свойства. Това означава, че неговото движение в атом може да се опише с вълново уравнение.
Планетарният модел на структурата на водородния атом, създаден от Н. Бор, който изхожда от идеята за електрона само като класическа частица, не може да обясни редица свойства на електрона. Квантовата механика показа, че идеята за движението на електрона около ядрото в определени орбити, подобно на движението на планетите около Слънцето, трябва да се счита за несъстоятелна.
Електронът, притежаващ свойствата на вълна, се движи по целия обем, образувайки електронен облак, който може да има различна форма за електрони, разположени в един атом. Плътността на този електронен облак в една или друга част от атомния обем не е еднаква.
Характеристика на електрона чрез четири квантови числа.
Основната характеристика, която определя движението на електрона в полето на ядрото, е неговата енергия. Енергията на електрона, подобно на енергията на частица от светлинния поток - фотон, не приема никакви, а само определени дискретни, прекъснати или, както се казва, квантувани стойности.
Движещият се електрон има три степени на свобода на движение в пространството (съответстващи на три координатни оси) и една допълнителна степен на свобода поради наличието на собствени механични и магнитни моменти на електрона, които отчитат въртенето на електрона около неговата ос. . Следователно, за пълна енергийна характеристика на състоянието на електрона в атома е необходимо и достатъчно да има четири параметъра. Тези параметри се наричат квантови числа. Квантовите числа, както и енергията на електрона, не могат да достигнат всички, а само определени стойности. Съседните стойности на квантовите числа се различават с единица.
Главно квантово число n характеризира общия енергиен резерв на електрона или неговото енергийно ниво. Главното квантово число може да приема стойности на цели числа от 1 до . За електрон, разположен в полето на ядрото, основното квантово число може да приема стойности от 1 до 7 (съответстващи на номера на периода в периодичната система, в която се намира елементът). Енергийните нива се обозначават или с числа в съответствие със стойностите на основното квантово число, или с букви:
П | |||||||
Обозначаване на ниво |
Ако например n=4, тогава електронът е на четвърто енергийно ниво, считано от атомното ядро, или на ниво N.
Орбитално квантово число l, което понякога се нарича странично квантово число, характеризира различните енергийни състояния на електрона на дадено ниво. Фината структура на спектралните линии показва, че електроните на всяко енергийно ниво са групирани в поднива. Орбиталното квантово число е свързано с ъгловия импулс на електрона, докато се движи спрямо атомното ядро. Орбиталното квантово число определя и формата на електронния облак l може да приема всички цели числа от 0 до (n-1). Например, с n=4, l=0, 1, 2, 3. Всяка стойност на l съответства на конкретно подниво. За поднивата се използват буквени означения. И така, когато l=0, 1, 2, 3, електроните са съответно на s-, p-, d-, f- поднива. Електроните от различни поднива се наричат съответно s-, p-, d-, f - електрони. Възможният брой поднива за всяко енергийно ниво е равен на броя на това ниво, но не надвишава четири. Първото енергийно ниво (n=1) се състои от едно s-подниво, второто (n=2), третото (n=3) и четвъртото (n=4) енергийни нива съответно се състоят от две (s, p), три (s, p, d) и четири (s, p, d, f) поднива. Не може да има повече от четири поднива, тъй като стойностите l = 0, 1, 2, 3 описват електроните на атомите на всичките 104 известни в момента елемента.
Ако l=0 (s-електрони), тогава ъгловият импулс на електрона спрямо атомното ядро е нула. Това може да стане само когато електронът се движи напред не около ядрото, а от ядрото към периферията и обратно. Електронният облак на s-електрона има формата на сфера.
Магнитно квантово число- Ъгловият импулс на електрона също е свързан с неговия магнитен момент. Магнитното квантово число характеризира магнитния момент на електрона. Магнитното квантово число характеризира магнитния момент на електрона и показва ориентацията на електронния облак спрямо избраната посока или спрямо посоката на магнитното поле. Магнитното квантово число може да приема всякакви положителни и отрицателни цели числа, включително нула, вариращи от – l до + l. Например, ако l=2, то има 2 l+1=5 стойности (-2, -1, 0, +1, +2). Когато l=3 броят на стойностите е 2 l+1=7 (-3, -2, -1, 0, +1, +2, +3). Броят на стойностите на магнитното квантово число, което е равно на 2 l+1, е броят на енергийните състояния, в които могат да съществуват електрони на дадено подниво. Така s-електроните имат само едно състояние (2 l+1=1), p-електроните имат 3 състояния (2 l+1=3), d-, f-електроните имат съответно 5 и 7 състояния. Енергийните състояния обикновено се обозначават схематично с енергийни клетки, изобразяващи ги като правоъгълници, а електроните като стрелки в тези клетки.
Спиново квантово число- характеризира вътрешното движение на електрона - спин. Той е свързан със собствения магнитен момент на електрона, причинен от неговото движение около оста му. Това квантово число може да приема само две стойности: + 1/2 и -1/2, в зависимост от това дали магнитното поле на въртенето на електрона е ориентирано успоредно или антипаралелно на магнитното поле, причинено от движението на електрона около ядрото.
Два електрона (двойки) с еднакви стойности на квантовите числа: n, I, но с противоположно насочени завъртания (↓) се наричат сдвоена или самотна двойка електрони. Електроните с ненаситени спинове () се наричат несдвоени.
Принцип на Паули, принцип на най-малка енергия, правило на Хунд.
Разпределението на електроните в атомите на елементите се определя от три основни принципа: принципа на Паули, принципа на най-малката енергия и правилото на Хунд.
Принципът на Паули.Изучавайки многобройни спектри на атоми, швейцарският физик В. Паули през 1925 г. стига до заключение, което се нарича принцип или забрана на Паули: „Два електрона от един атом е забранено да бъдат подобни един на друг във всички отношения“ или какво е същото, „в един атом няма, може дори да има два електрона с еднакви стойности на четирите квантови числа“. Енергийните състояния на електроните, характеризиращи се със същите стойности на три квантови числа: n, I и m1, обикновено се означават с енергийна клетка.
Според принципа на Паули една енергийна клетка може да има само два електрона с противоположни спинове
Наличието на трети електрон в една енергийна клетка би означавало, че две от тях имат и четирите квантови числа еднакви. Броят на възможните електронни състояния (фиг. 4) на дадено подниво е равен на броя на стойностите на магнитното квантово число за това подниво, т.е. 21+ 1. Максималният брой електрони на това подниво, според принципа на Паули , ще бъде 2(21+ 1). По този начин са възможни 2 електрона в s подниво; поднивото p има 6 електрона; поднивото d има 10 електрона; има 14 електрона в подниво f. Броят на възможните състояния на електрони на всяко ниво е равен на квадрата на главното квантово число и максималният брой електрони на това ниво
Принцип на най-малко енергия.
Последователността на разположение на електроните в атома трябва да съответства на тяхната най-голяма връзка с ядрото, т.е. електронът трябва да има най-ниска енергия. Следователно електронът не трябва да заема по-високо енергийно ниво, ако има места в по-ниското ниво, където електронът ще има по-малко енергия, ако се намира.
Тъй като енергията на електрона се определя главно от стойностите на основните n и орбитални / квантови числа, тези поднива, за които сумата от стойностите на квантовите числа n и / са по-малки, се попълват първо. Например енергийният резерв на подниво 4s(n +/ = 4 +0 = 4) е по-малък отколкото на 3d(n + /= 3 + 2 = 5); 5s (n + / = 5 + 0 = 5) по-малко от 4d(n + / = 4 + 2 = 6); 5p(n + / = 5 +1 =6) по-малко от 4f(n + 1 = 4+3 = 7). Ако за две нива сумите на стойностите n и / са равни, тогава първо се попълва поднивото с по-малка стойност n. Например, на поднива 3d, 4p, 5s сумите на стойностите n и / са. равно на пет, в този случай поднивата с по-малки стойности на главното квантово число се запълват първо n, т.е. в следната последователност: 3d-4р-5s.
Когато енергиите на близки поднива се различават много малко една от друга, има някои изключения от това правило. Така поднивото 5d е запълнено с един електрон 5dl преди 4f; 6d1-2 преди 5f.
Запълването на енергийни нива и поднива става в следната последователност: ls→2s→2p→3s→3p→4s→ 3d → 4p→ 5s → 4d → 5p→ 6s →(5dl) →4f→ 5d→6p→ 7s→ (6d1 - 2 )→5f→6d→7p
Правилото на Хунд.
Електроните в рамките на дадено подниво първо се намират, всеки в отделна клетка, под формата на несдвоени „неактивни“ електрони. С други думи, за дадена стойност на I, електроните в атома са разположени така, че тяхното общо спиново число е Например, ако три p-клетки трябва да бъдат поставени три електрона, тогава всяка от тях ще бъде разположена в отделна клетка по следния начин:
Електронни формули на атоми и диаграми.
Като се вземат предвид разглежданите разпоредби, лесно е да си представим разпределението на електроните по енергийни нива и поднива в атомите на всеки елемент. Това разпределение на електроните в атома се записва под формата на така наречените електронни формули. В електронните формули буквите s, p, d, f означават енергийните поднива на електроните; Цифрите пред буквите показват енергийното ниво, в което се намира даден електрон, а индексът горе вдясно е броят на електроните в дадено подниво. Например, обозначението 5p3 означава, че 3 електрона са разположени на p-поднивото на петото енергийно ниво.
За да съставите електронната формула на атом на всеки елемент, достатъчно е да знаете номера на този елемент в периодичната таблица и да следвате основните принципи, които управляват разпределението на електроните в атома.
Нека, например, трябва да създадете електронни формули за атомите на сярата, калция, скандия, желязото и лантана. От периодичната таблица определяме номерата на тези елементи, които са съответно 16, 20, 21, 26, . Това означава, че енергийните нива и поднива на атомите на тези елементи съдържат съответно 16, 20, 21, 26, 57 електрона. Спазвайки принципа на Паули и принципа на най-малката енергия, т.е. последователността на запълване на енергийни нива и поднива, е възможно да се съставят електронни формули за атомите на тези елементи:
Структурата на електронната обвивка на атома може да бъде изобразена и под формата на диаграма на разположението на електроните в енергийните клетки.
За атомите на желязото тази схема има следната форма:
Тази диаграма ясно показва прилагането на правилото на Хунд. На подниво 3d максималният брой клетки (четири) е запълнен с несдвоени електрони. Изображението на структурата на електронната обвивка в атома под формата на електронни формули и под формата на диаграми не отразява ясно вълновите свойства на електрона. Все пак трябва да се помни, че всеки s-, p-, d-, f-електрон има свой собствен електронен облак. Различната форма на електронен облак показва, че електронът има различна вероятност да бъде в даден регион на атомното пространство. В зависимост от стойността на магнитното квантово число m1, ориентацията на електронния облак в пространството също ще бъде различна.
Въведение……………………………………………………………………………………… | ||
Главна част……………………………………………………………… | ||
Дефиниция на електрона, неговото откриване…………..……………………… | ||
Свойства на електрона……………………………………………………………………… | ||
Структура на електронни обвивки………………………………….. | ||
Изводи ……………………………………………………………………. | ||
Заключение……………………………………………………………………… | ||
Библиография…………………………………………………………….. | ||
Приложения | ||
Приложение 1…………………………………………………………………. |
Въведение
Първата представа за това какво са атом, електрон и електронни обвивки ни беше дадена още в 8 клас. Това бяха основите, най-простото обяснение на това, което по-късно се оказа най-сложният материал. На мен в 8 клас ми бяха достатъчни най-обикновените обяснения. Но не толкова отдавна, преди 2-3 месеца, започнах да се чудя как всъщност работи един атом, как се движи електрон, какво е „електронна орбитала“ в пълното му разбиране. Първоначално се опитах да мисля за това сам, но според мен нищо „умно“ не излезе от това. Тогава започнах да изучавам допълнителна литература, за да разбера напълно микросвета и да отговоря на въпросите, които ме интересуваха. С всеки нов ред от прочетеното ми се разкриваше нещо ново. След това се опитах да представя това, което успях да изуча и частично (защото знанията на такова високо ниво се дават в университетите и се изучават от много учени по целия свят и е много трудно за ученик да разбере такъв материал в пълния смисъл) през това време.
Главна част
1. Дефиниция на електрона, неговото откриване.
Електрон – стабилен, отрицателно зареден елементарна частица , една от основните структурни единици на материята.
Е фермион (тоест има наполовина цяло завъртане ). Отнася се до лептони (единствената стабилна частица сред заредените лептони). Съставен от електрони електронни обвивки на атомите , където техният брой и позиция определят почти всичко Химични свойства вещества. Движението на свободните електрони причинява явления като електрически ток в проводници и вакуум.
Дата на откриване електрон се счита 1897 г., когато Томсън Беше проведен експеримент за изследване на катодни лъчи. Получени са първите изображения на отделни електронни следи Чарлз Уилсън с помощта на камера за мъгла.
2. Свойства на електрона.
А. Маса и заряд на частицата.
Зарядът на електрона е неделим и равен на −1.(35)·10−19 C. За първи път е директно измерен в експерименти от A.F. Ioffe (1911) и R. Millikan (1912). Тази величина служи като мерна единица за електрическия заряд на други елементарни частици (за разлика от заряда на електрона, елементарният заряд обикновено се приема с положителен знак). Масата на електрона е 9.(40)·10−31 kg.
Б. Невъзможността да се опише електрон чрез класическите закони на механиката и електродинамиката.
Дълго време нямаше никакви познания за действителната структура на атома. В края на 19 – началото на 20 век. V. беше доказано, че атомът е сложна частица, състояща се от по-прости (елементарни) частици. През 1911 г. въз основа на експериментални данни английският физик д.Ръдърфордпредложи ядрен модел на атом с почти пълна концентрация на маса в сравнително малък обем. Ядрото на атома, състоящо се от протони и неутрони, има положителен заряд. Той е заобиколен от електрони, които носят отрицателен заряд.
Невъзможно е да се опише движението на електроните в атома от гледна точка на класическата механика и електродинамика, тъй като:
· ако твърдим, че един електрон (като твърдо тяло) се движи по затворена кръгова орбита около ядрото с V ~ m/s (т.е. разглеждано от позицията на класическата механика), то под въздействието на центростремителна сила той трябва да за възможно най-кратко време (~ сек) ще падне върху ядрото на атома, което ще доведе до несъществуването на атома като такъв и несъществуването на молекули, тъй като електроните взаимодействат между атомите;
· ако разглеждаме електрона като заредено тяло (т.е. разглеждано от позицията на електродинамиката), тогава той неизбежно трябва да бъде привлечен от положително заредено ядро, а също и при движението си ще излъчва електромагнитно поле и ще губи енергия, което неизбежно ще водят до подобна ситуация, че и в случай на разглеждане от позицията на класическата механика.
Ето какво пише Нилс Бор:
„Недостатъчността на класическата електродинамика за обяснение на свойствата на атома въз основа на модел от типа на Ръдърфорд се проявява ясно, когато се разглежда най-простата система, състояща се от положително заредено ядро с много малък размер и електрон, движещ се в затворена орбита около ядрото. За по-голяма простота приемаме, че масата на електрона е незначителна в сравнение с масата на ядрото, а скоростта на електроните е малка в сравнение със скоростта на светлината.
Нека първо приемем, че няма излъчване на енергия. В този случай електронът ще се движи по стационарни елиптични орбити... Сега разгледайте ефекта на енергийното излъчване, тъй като обикновено се измерва чрез ускорението на електрона. В този случай електронът вече няма да се движи по стационарни орбити. Енергията W непрекъснато ще намалява и електронът ще се приближава до ядрото, описвайки все по-малки орбити с все по-голяма честота; докато електронът печели средно кинетична енергия, системата като цяло губи енергия. Този процес ще продължи, докато размерът на орбитите стане в същия ред като размера на електроните или ядрото. Едно просто изчисление показва, че енергията, излъчвана по време на този процес, е неизмеримо по-голяма от тази, излъчвана по време на обикновените молекулярни процеси. Очевидно поведението на такава система е напълно различно от това, което всъщност се случва с атомна система в природата. Първо, истинските атоми имат определени размери и честоти за дълго време. Освен това изглежда, че ако разгледаме всеки молекулярен процес, тогава след излъчване на определено количество енергия, характерно за излъчваната система, тази система винаги ще се намира отново в състояние на стабилно равновесие, в което разстоянията между частиците ще бъдат от същият порядък като преди процеса.
Постулатите на Б. Бор.
Формулирани основни предположения Нилс Бор V 1913 г за да обясня модела линеен спектър на водороден атом и водородоподобни йони, както и квантово характер на излъчване и абсорбция Света. Бор идва от планетарен атомен модел Ръдърфорд.
· атом може да бъде само в специални стационарни или квантови състояния, всяко от които има специфична енергия. В стационарно състояние атомът не излъчва електромагнитни вълни.
· Електрон в атом , без да губи енергия, се движи по определени дискретни кръгови орбити, за които ъгловият момент се квантува . Наличието на електрон в орбита определя енергията им стационарни състояния.
Когато един електрон се движи от орбита (енергийно ниво) към орбита, той се излъчва или абсорбира квант енергия чν = En − Em , Където En; Ем – енергийни нива , между които се осъществява преходът. При преминаване от по-горно ниво към по-ниско се излъчва енергия, при преминаване от по-ниско към по-горно ниво се поглъща.
а) „Динамичното равновесие на система в стационарни състояния може да се разглежда с помощта на обикновената механика, докато преходът на система от едно стационарно състояние в друго не може да се тълкува на тази основа.
б) Посоченият преход е придружен от излъчване на монохроматично лъчение, за което връзката между честотата и количеството освободена енергия е точно същата като тази, дадена от теорията на Планк ... "
позволи на Бор да състави своята теория за структурата на атома или Модел на атома на Бор.
Това е полукласически модел на атома, базиран на теорията на Ръдърфорд за структурата на атома. Използвайки горните предположения и законите на класическата механика, а именно равенството на силата на привличане на електрона от страната на ядрото и центробежната сила, действаща върху въртящ се електрон, Бор получава следните стойности за радиуса на неподвижен орбита и енергията на електрона, разположен в тази орбита:
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.!}
Това е точно изразът за енергията, която може да се получи чрез използване Уравнение на Шрьодингер , решавайки проблема за движението на електрони в централно кулоново поле.
Радиусът на първата орбита във водородния атом R0=5.(36)·10−11 m, сега се нарича Радиус на Бор , или атомна единица за дължина и се използва широко в съвременната физика. Енергията на първата орбита eV е йонизационна енергия водороден атом.
Забележка: Този модел е грубо приложение на законите на електродинамиката с някои предположения за обяснение единствено на движението на електрона във водороден атом.За по-сложни системи с голям брой електрони тази теория е неприемлива. То е следствие от по-общи квантови закони.
Ж. Двойственост вълна-частица.
В класическата механика се разглеждат два вида движение: движение на тялото с локализиране на движещ се обект във всяка точка от траекторията в определен момент от времето и вълново движение , делокализиран в пространството на средата. За микрообектите такова разграничаване на движението е невъзможно. Тази особеност на движението се нарича двойственост вълна-частица.
Двойственост вълна-частица – способността на микрочастица с маса, размер и заряд едновременно да проявява свойства, характерни за вълните, например способността за дифракция. В зависимост от това какви свойства на частиците се изучават, те проявяват едни или други свойства.
Авторът на идеята за двойствеността на вълната и частицата беше А. Айнщайн , който предложи квантите на електромагнитното излъчване - фотоните - да се разглеждат като частици, движещи се със скоростта на светлината и имащи нулева маса на покой. Тяхната енергия е равна д = mc 2 = чν = hc / λ ,
Където м- маса на фотона, с- скоростта на светлината във вакуум, ч- Константа на Планк, ν - честота на излъчване, λ - дължина на вълната.
През 1924 г. френски физик Луи дьо Бройл изложи идеята, че вълновата природа на разпространение, установена за фотоните, е универсална. Трябва да се появи за всички частици с импулс. Всички частици с краен импулс имат вълнови свойства, по-специално, те са обект на намеса И дифракция .
Формула де Бройл установява зависимостта на дължината на вълната, свързана с движеща се частица от материята, от импулса на частицата:
къде е масата на частицата, е нейната скорост, - Константа на Планк . Въпросните вълни се наричат вълни на де Бройл. Формула де Бройл се потвърждава експериментално от експерименти върху разсейването на електрони и други частици върху кристали и върху преминаването на частици през вещества. Признак за вълновия процес във всички подобни експерименти е дифракционната картина на разпределението на електрони (или други частици) в приемниците на частици.
Де Бройл маха имат специфична природа, която няма аналогия сред вълните, изучавани в класическата физика: квадратът на модула на амплитудата на вълната на де Бройл в дадена точка е мярка за вероятността дадена частица да бъде открита в тази точка. Дифракционните картини, които се наблюдават при експериментите, са проява на статистическа закономерност, според която частиците попадат на определени места в приемниците – там, където интензитетът на вълната на де Бройл е най-голям. Частиците не се откриват в онези места, където според статистическата интерпретация квадратът на модула на амплитудата на „вълната на вероятността“ изчезва.
Тази теория бележи началото на развитието на квантовата механика. В момента концепцията за двойствеността на вълната и частицата представлява само исторически интерес, тъй като тя служи само като интерпретация, начин да се опише поведението на квантовите обекти, като се избират аналогии за него от класическата физика. Всъщност квантовите обекти не са нито класически вълни, нито класически частици, придобивайки свойствата на първото или второто само до известно приближение.
Принципът на неопределеността на Д. Хайзенберг.
През 1927 г. немски физик-теоретик IN. Хайзенберг формулира принципа на несигурността, който се състои в фундаменталната невъзможност за едновременно точно определяне на позицията на микрочастица в пространството и нейния импулс:
Δ px · Δ х ≥ ч/ 2π,
където Δ px = м Δ vx x - несигурност (грешка при определяне) на импулса на микрообекта по координатата х; Δ х- несигурност (грешка при определяне) на позицията на микрообекта по тази координата.
По този начин, колкото по-точно е определена скоростта, толкова по-малко се знае за местоположението на частицата и обратно.
Следователно за микрочастица (в този случай електрон) концепцията за траектория на движение става неприемлива, тъй като е свързана със специфичните координати и импулс на частицата. Можем да говорим само за вероятността да го открием в някои области на космоса.
Имаше преход от „орбитите на движение“ на електроните, въведени от Бор, към концепцията орбитали – области на пространството, където вероятността за наличие на електрони е максимална.
3. Устройство на електронни обвивки.
Електронна обвивка на атома – регион на пространството с вероятно местоположение на електрони, характеризиращ се със същата стойност на главното квантово число ни, като следствие, разположени на близки енергийни нива. Броят на електроните във всяка електронна обвивка не надвишава определена максимална стойност.
Електронна обвивка на атома – това е колекция атомни орбитали със същата стойност на главното квантово число n.
а) Концепцията за атомна орбитала.
Атомна орбитала – това е един електрон вълнова функция в сферично симетрично електрическо поле на атомното ядро, зададено от главния н, орбитален ли магнитни мквантови числа.
1) Вълнова функция - сложна функция, която описва състоянието на квантово-механична система. (Водородният атом се приема за най-простата квантова система. Именно на негова основа се правят всички изчисления, свързани с вълновата функция.)
Най-важното е физическият смисъл на вълновата функция. Състои се от следното:
« плътност на вероятността местоположението на частица в дадена точка в пространството в даден момент от времето се счита за равно наквадрат абсолютна стойноствълнова функция на това състояние в координатно представяне.“
Вълновата функция на системата A от частици съдържа координатите на всички частици: ψ(1,2,...,A, t).
Квадратът на модула на вълновата функция на отделна частица |ψ(,t)|2 = ψ*(,t)ψ(,t) дава вероятността за откриване на частица в момент t в точка в пространството, описана с координати, а именно |ψ(,t) |2dv ≡ |ψ(x, y, z, t)|2dxdydz е вероятността за намиране на частица в област от пространството с обем dv = dxdydz около точката x, y, z. По същия начин, вероятността за намиране в момент t на система A от частици с координати 1,2,...,A в обемен елемент на многомерното пространство се дава от стойността |ψ(1,2,...,A, t )|2dv1dv2...dvA .
Принципът на неопределеността на Хайзенберг налага някои ограничения върху точността на изчисленията на вълновата функция.
Стойността на вълновата функция се намира чрез решаване на т.нар Уравнения на Шрьодингер.
2) Уравнение на Шрьодингер - уравнение, описващо промяната в пространството и времето чисто (квантово) състояние , дадено вълнова функция.
Предложено е през 1926 г. от немски физик д. Шрьодингер за описание на състоянието на електрона във водороден атом.
3) Физическото значение на вълновата функция позволява да се разбере геометричното значение на атомната орбитала, което е следното:
„Атомната орбитала е област от пространството, ограничена от повърхност с еднаква плътноствероятностиилизареждане. Плътността на вероятността на граничната повърхност се избира въз основа на проблема, който се решава, но обикновено по такъв начин, че вероятността за намиране на електрон в ограничена област е в диапазона от стойности 0,9 - 0,99"
4) Квантови числа – това са числа, които определят формата на орбиталата, енергията и ъгловия импулс на електрона.
Главно квантово число нможе да приеме всяка положителна цяло число, започвайки от едно ( н= 1,2,3, … ∞) и определя общата енергия на електрона в дадена орбитала (енергийно ниво):
Енергия за н= ∞ съответства едноелектронна йонизационна енергия за дадено енергийно ниво.
· Орбиталното квантово число (наричано още азимутално или комплементарно квантово число) определя ъглов момент електрон и може да приема цели числа от 0 до н - 1 (л = 0,1, …, н - 1). Импулс в този случай се дава от отношението
Атомните орбитали обикновено се наричат с буквата на техния орбитален номер:
Буквите за атомни орбитали идват от описанието на спектралните линии в атомните спектри: с (остър) - рязка серия в атомните спектри, стр (главница)- У дома, д (дифузен) - дифузен, f (фундаментален) - основен.
· Магнитно квантово число мл
Движението на електрона в затворена орбита предизвиква появата на магнитно поле. Състоянието на електрона, определено от орбиталния магнитен момент на електрона (в резултат на неговото движение по орбитата), се характеризира с третото квантово число - магнитни мл.Това квантово число характеризира ориентацията на орбиталата в пространството, изразявайки проекцията на орбиталния ъглов момент върху посоката на магнитното поле.
Според ориентацията на орбиталата спрямо посоката на вектора на силата на външното магнитно поле, магнитното квантово число може да приема стойностите на всякакви цели числа, както положителни, така и отрицателни, от – l до +l, включително 0, т.е. , общо (2l + 1) стойности. Например, когато l = 0, мл= - 1, 0, +1.
По този начин, млхарактеризира големината на проекцията на вектора на орбиталния ъглов момент върху избраната посока. Например p-орбитала в магнитно поле може да бъде ориентирана в пространството в 3 различни позиции. [ 9. 55]
5) Черупки.
Електронните черупки са обозначени с букви K, L, M, N, O, P, Qили числа от 1 до 7. Поднивата на обвивката са обозначени с букви s, p, d, f, g, h, iили числа от 0 до 6. Електроните във външните обвивки имат по-висока енергия и в сравнение с електроните във вътрешните обвивки са разположени по-далеч от ядрото, което ги прави по-важни при анализиране на поведението на атома при химични реакции и като проводник, тъй като връзката им със сърцевината е по-слаба и се прекъсва по-лесно.
6) Поднива.
Всяка обвивка се състои от едно или повече поднива, всяко от които се състои от атомни орбитали. Например, първата обвивка (K) се състои от едно подниво „1s“. Втората обвивка (L) се състои от две поднива, 2s и 2p. Третата обвивка е съставена от "3s", "3p" и "3d".
За да се обясни напълно структурата на електронните черупки, е необходимо да се подчертаят следните 3 много важни точки:
1) Принципът на Паули.
Той е формулиран от швейцарския физик В. Паули през 1925 г. Той е както следва:
Един атом не може да има два електрона с еднакви свойства.
Всъщност този принцип е по-фундаментален. Прилага се за всички фермиони.
2) Принцип на най-малко енергия.
В атома всеки електрон е разположен така, че енергията му да е минимална (което съответства на най-голямата му връзка с ядрото).
Тъй като енергията на електрона в основното състояние се определя от основното квантово число n и второстепенното квантово число l, първо се запълват онези поднива, за които сумата от стойностите на квантовите числа n и l са най-малки.
Въз основа на това за първи път през 1961 г. формулира обща позиция, в която се посочва, че:
Електронът заема ниво не с минимална стойност в основното състояниен, и с най-малка стойност на суматан+ л.
3) Правилото на Хунд.
При тази стойностл(т.е. в рамките на определено подниво) електроните са подредени по такъв начин, че общото въртене е максимално.
Ако, например, три електрона трябва да бъдат разпределени в три p-клетки на азотен атом, тогава всеки от тях ще бъде разположен в отделна клетка, т.е. поставен в три различни p-орбитали:
заключения:
1) Движението и свойствата на електрона не могат да бъдат описани от класическите закони на механиката и електродинамиката. Електронът може да бъде описан само в рамките на квантовата физика.
2) Електронът няма ясна орбита на въртене. Около ядрото има електронен „облак“, където електронът се намира във всяка точка на пространството по всяко време.
3) Електронът има свойствата на частица и вълна.
4) Съществуват различни физични и математически методи за описание на характеристиките на електрона.
5) Атомните орбитали, всяка от които се състои от не повече от 2 електрона, съставляват електронната обвивка на атома, чиито електрони участват в образуването на междуатомни връзки в молекулите.
Заключение.
В училище, в началния етап, те не разкриват напълно истинското разбиране за структурата на атома и електрона. За по-добро разбиране на неговата структура е необходимо да се проучи допълнителна литература. И всеки, който се интересува от тази тема, има всички възможности да задълбочи знанията си и дори да допринесе за познаването на микрочастиците.
Първоначалното познаване на законите на физиката не е достатъчно, за да се опишат напълно обектите на микросвета, в случая електроните.
Без да разберем основите на Вселената, основните концепции на микросвета, е невъзможно да разберем макро- и мега-света около нас.
Библиография
1. Уикипедия. Статия "Атомна орбитала".
2. Уикипедия. "Вълнова функция".
3. Уикипедия. Статия "Откриване на електрона".
4. Уикипедия. Статия "Постулатите на Бор".
5. Уикипедия. "Уравнение на Шрьодингер".
6. Уикипедия. Статия "Електрон".
7. , . Христоматия по физика: учебник за ученици" стр. 168: Из статията на Н. Бор "За структурата на атома и молекулите." Част първа. „Свързване на електрони с положително ядро“.
8. Отдел на MITHT. Основи на структурата на материята.
9. , . Началото на химията.
Приложение 1
1. Сър Джоузеф Джон Томсън(18 декември 1856 - 30 август 1940) - английски физик, открил електрона, носител на Нобелова награда за физика за 1906 г. Повечето от неговите трудове са посветени на електрическите явления, а напоследък особено на преминаването на електричество през газове и изследването на рентгеновите лъчи и Бекерел.
2. Чарлз Томсън Рис Уилсън(14 февруари 1869 г., Гленкорс - 15 ноември 1959 г., Карлопс, предградие на Единбург) - шотландски физик, за развитието на облачната камера, наречена на негово име, която дава "метод за визуално откриване на траекториите на електрически заредени частици с помощта на кондензация на пара", Уилсън получава през 1927 г. (съвместно с Артър Комптън) Нобелова награда по физика.
3. Ърнест Ръдърфорд(30 август 1871 г., Spring Grove - 19 октомври 1937 г., Кеймбридж) - британски физик от новозеландски произход. Известен като „бащата” на ядрената физика, той създава планетарния модел на атома. Носител на Нобелова награда за химия през 1908 г.
4. Нилс Хенрик Дейвид Бор(7 октомври 1885 г., Копенхаген - 18 ноември 1962 г., Копенхаген) - датски теоретичен физик и обществен деец, един от основателите на съвременната физика. Носител на Нобелова награда за физика (1922). Той е член на повече от 20 академии на науките по света, включително чуждестранен почетен член на Академията на науките на СССР (1929; член-кореспондент от 1924 г.).
Бор е известен като създател на първата квантова теория на атома и активен участник в развитието на основите на квантовата механика. Той също има значителен принос в развитието на теорията за атомното ядро и ядрените реакции, процесите на взаимодействие на елементарни частици с околната среда.
5. Алберт Айнщайн 14 март 1879 г., Улм, Вюртемберг, Германия - 18 април 1955 г., Принстън, Ню Джърси, САЩ) - теоретичен физик, един от основателите на съвременната теоретична физика, носител на Нобелова награда за физика от 1921 г., общественик и хуманист. Живее в Германия (1879-1893, 1914-1933), Швейцария (1893-1914) и САЩ (1933-1955). Почетен доктор на около 20 водещи университета в света, член на много академии на науките, включително чуждестранен почетен член на Академията на науките на СССР (1926 г.). Автор на много книги и статии. Автор на най-важните физични теории: Обща теория на относителността, Квантова теория на фотоелектричния ефект и др.
6. Реймънд, 7-ми херцог на Брогли, по-известен като Луи дьо Бройл(15 август 1892 г., Диеп - 19 март 1987 г., Лувесиен) - френски физик-теоретик, един от основателите на квантовата механика, Нобелов лауреат по физика за 1929 г., член на Френската академия на науките (от 1933 г.) и неин постоянен член секретар (от 1942 г.), член на Френската академия (от 1944 г.).
Луи дьо Бройл е автор на трудове по фундаментални проблеми на квантовата теория. Той разработи хипотеза за вълновите свойства на материалните частици (вълни на де Бройл или вълни на материята), която постави основата за развитието на вълновата механика. Той предложи оригинална интерпретация на квантовата механика, разработи релативистката теория на частиците с произволен спин, по-специално на фотоните (неутрино теория на светлината), занимава се с въпроси на радиофизиката, класическата и квантовата теория на полето, термодинамиката и други клонове на физиката.
7. Вернер Карл Хайзенберг(на немски: 5 декември 1901 г., Вюрцбург - 1 февруари 1976 г., Мюнхен) - немски физик-теоретик, един от създателите на квантовата механика. Носител на Нобелова награда за физика (1932). Член на редица академии и научни дружества по света.
8. Ервин Рудолф Йозеф Александър Шрьодингер(12 август 1887 г., Виена - 4 януари 1961 г., пак там) - австрийски теоретичен физик, един от създателите на квантовата механика. Носител на Нобелова награда за физика (1933). Член на редица академии на науките по света, включително чуждестранен член на Академията на науките на СССР (1934 г.).
Шрьодингер притежава редица фундаментални резултати в областта на квантовата теория, които са в основата на вълновата механика: той формулира вълнови уравнения (стационарни и зависими от времето уравнения на Шрьодингер), развива вълново-механична теория на смущенията и получава решения на редица на конкретни проблеми. Шрьодингер предлага оригинална интерпретация на физическия смисъл на вълновата функция. Автор е на множество трудове в различни области на физиката: статистическа механика и термодинамика, физика на диелектрика, теория на цветовете, електродинамика, обща теория на относителността и космология; той прави няколко опита да изгради единна теория на полето.
Фермион- според съвременните научни представи: елементарни частици, изграждащи материята. Фермионите включват кварки, електрони, мюони, тау лептон и неутрино. Във физиката, частица (или квазичастица) с полуцяла спинова стойност. Те получиха името си в чест на физика Енрико Ферми.
лептони- фермиони, тоест спинът им е 1/2. Лептоните, заедно с кварките, съставляват класа на фундаменталните фермиони - частици, които изграждат материята и които, доколкото е известно, нямат вътрешна структура.
Линеен спектър на водорода(или спектрални серии на водород) –набор от спектрални линии, които се получават, когато електроните преминават от което и да е от горните стационарни нива към едно подлежащо, което е основното за дадена серия.
Инерция −величина, която зависи от това колко маса от дадено тяло се върти, как е разпределена спрямо оста на въртене и с каква скорост се извършва въртенето.
Стационарно състояниее състоянието на квантовата система, при което нейната енергия и други динамични величини, характеризиращи квантовото състояние, не се променят.
Квантово състояние- всяко възможно състояние, в което може да бъде една квантова система.
Във вълновата механика се описва с вълнова функция.
Електронът е елементарна частица, която е една от основните единици в структурата на материята. Зарядът на електрона е отрицателен. Най-точните измервания са направени в началото на ХХ век от Миликан и Йофе.
Зарядът на електрона е равен на минус 1,602176487 (40)*10 -1 9 C.
Чрез тази стойност се измерва електрическият заряд на други най-малки частици.
Общо понятие за електрон
Физиката на елементарните частици казва, че електронът е неделим и няма структура. Той участва в електромагнитни и гравитационни процеси и принадлежи към групата на лептоните, точно както неговата античастица, позитронът. Сред другите лептони има най-малко тегло. Ако електрони и позитрони се сблъскат, това води до тяхното унищожаване. Такава двойка може да възникне от гама квант от частици.
Преди да бъдат измерени неутрино, електронът беше смятан за най-леката частица. В квантовата механика се класифицира като фермион. Електронът има и магнитен момент. Ако в него е включен и позитрон, тогава позитронът се разделя като положително заредена частица, а електронът се нарича негатрон, като частица с отрицателен заряд.
Избрани свойства на електроните
Електроните се класифицират като първото поколение лептони, със свойствата на частици и вълни. Всеки от тях е надарен с квантово състояние, което се определя чрез измерване на енергия, ориентация на въртене и други параметри. Принадлежността му към фермионите се разкрива чрез невъзможността да има два електрона в едно и също квантово състояние по едно и също време (според принципа на Паули).
Изследва се по същия начин като квазичастица в периодичен кристален потенциал, чиято ефективна маса може да се различава значително от масата в покой.
Чрез движението на електрони възникват електрически ток, магнетизъм и термична емф. Зарядът на електрон в движение образува магнитно поле. Външно магнитно поле обаче отклонява частицата от правата посока. Когато се ускори, електронът придобива способността да абсорбира или излъчва енергия като фотон. Множеството му се състои от електронни атомни обвивки, чийто брой и позиция определят химичните свойства.
Атомната маса се състои главно от ядрени протони и неутрони, докато масата на електроните съставлява около 0,06% от общото атомно тегло. Електрическата сила на Кулон е една от основните сили, способни да задържат електрон близо до ядрото. Но когато молекулите се създават от атоми и възникват химични връзки, електроните се преразпределят в образуваното ново пространство.
Нуклоните и адроните участват в появата на електрони. Изотопите с радиоактивни свойства са способни да излъчват електрони. В лабораториите тези частици могат да бъдат изследвани с помощта на специални инструменти и например телескопите могат да открият радиация от тях в плазмени облаци.
Отваряне
Електронът е открит от немски физици през деветнадесети век, когато са изучавали катодните свойства на лъчите. Тогава други учени започнаха да го изучават по-подробно, издигайки го до ранга на отделна частица. Изследвани са радиация и други свързани с нея физични явления.
Например екипът, ръководен от Томсън, оцени заряда на електрона и масата на катодния лъч, чиято връзка, както установиха, не зависи от материалния източник.
И Бекерел установи, че минералите излъчват радиация сами по себе си и техните бета лъчи могат да се отклоняват от действието на електрическо поле, а масата и зарядът запазват същото съотношение като това на катодните лъчи.
Атомна теория
Според тази теория атомът се състои от ядро и електрони около него, подредени в облак. Те се намират в определени квантувани енергийни състояния, чиято промяна е придружена от процеса на поглъщане или излъчване на фотони.
Квантова механика
В началото на ХХ век е формулирана хипотеза, според която материалните частици притежават свойствата както на самите частици, така и на вълните. Светлината може да се появи и под формата на вълна (нарича се вълна на де Бройл) и частици (фотони).
В резултат на това беше формулирано известното уравнение на Шрьодингер, което описва разпространението на електронните вълни. Този подход беше наречен квантова механика. Използван е за изчисляване на електронните състояния на енергия във водородния атом.
Фундаментални и квантови свойства на електрона
Частицата проявява фундаментални и квантови свойства.
Основните включват маса (9,109 * 10 -31 килограма), елементарен електрически заряд (т.е. минималната част от заряда). Според извършените досега измервания електронът не съдържа елементи, които да разкрият неговата подструктура. Но някои учени са на мнение, че това е точкова заредена частица. Както е посочено в началото на статията, електронният електрически заряд е -1,602 * 10 -19 C.
Докато е частица, електронът може едновременно да бъде и вълна. Експеримент с два процепа потвърждава възможността за едновременното му преминаване през двата. Това противоречи на свойствата на частица, където е възможно преминаване само през един процеп наведнъж.
Счита се, че електроните имат еднакви физични свойства. Следователно тяхното пренареждане от гледна точка на квантовата механика не води до промяна в състоянието на системата. Електронната вълнова функция е антисиметрична. Следователно неговите решения изчезват, когато идентични електрони попаднат в едно и също квантово състояние (принцип на Паули).
Електрон. Образование и структура на електрона. Магнитен монопол на електрона.
(продължение)
Част 4. Структурата на електрона.
4.1. Електронът е двукомпонентна частица, която се състои само от две свръхплътни (кондензирани, концентрирани) полета - електрическо поле-минус и магнитно поле-N. при което:
а) електронната плътност е максимално възможната в природата;
б) електронни размери (D = 10 -17 cm или по-малко) - минимално в природата;
в) в съответствие с изискването за минимизиране на енергията всички частици - електрони, позитрони, частици с дробен заряд, протони, неутрони и др. трябва да имат (и имат) сферична форма;
г) по все още неизвестни причини, независимо от енергийната стойност на „родителския“ фотон, абсолютно всички електрони (и позитрони) се раждат абсолютно еднакви по своите параметри (например масата на абсолютно всички електрони и позитрони е 0,511 MeV).
4.2. „Надеждно е установено, че магнитното поле на електрона е същото интегрално свойство като неговата маса и заряд. Магнитните полета на всички електрони са еднакви, както и техните маси и заряди.“ (c) Това автоматично ни позволява да направим недвусмислено заключение за еквивалентността на масата и заряда на електрона, тоест: масата на електрона е еквивалент на заряда, и обратно - зарядът на електрона е еквивалент на масата (за позитрона - аналогично).
4.3. Това свойство на еквивалентност се отнася и за частици с дробни заряди (+2/3) и (-1/3), които са в основата на кварките. Тоест: масата на позитрон, електрон и всички дробни частици е еквивалент на техния заряд, и обратно – зарядите на тези частици са еквивалент на маса. Следователно специфичният заряд на електрона, позитрона и всички дробни частици е еднакъв (const) и е равен на 1,76 * 10 11 Кл/кг.
4.4. Тъй като елементарен квант на енергията автоматично е елементарен квант на масата, тогава масата на електрона (като се вземе предвид наличието на дробни частици 1/3 и 2/3) трябва да имастойности , кратни на масите на три отрицателни полукванта. (Вижте също „Фотон. Фотонна структура. Принцип на движение. параграф 3.4.)
4.5. Определянето на вътрешната структура на електрона е много трудно по много причини, но е от голям интерес да се разгледа, поне до първо приближение, влиянието на два компонента (електрически и магнитен) върху вътрешната структура на електрона. Вижте фиг. 7.
Фиг.7. Вътрешна структура на електрона, опции:
Опция 1. Всяка двойка отрицателни полуквантови дялове образува "микроелектрони", които след това образуват електрон. В този случай броят на "микроелектроните" трябва да бъде кратен на три.
Вариант #2. Електронът е двукомпонентна частица, която се състои от два скачени независими полусферични монопола - електрически (-) и магнитен (N).
Вариант #3. Електронът е двукомпонентна частица, която се състои от два монопола - електрически и магнитен. В този случай в центъра на електрона е разположен сферичен магнитен монопол.
Вариант номер 4. Други възможности.
Очевидно може да се има предвид вариант, когато електрически (-) и магнитни полета (N) могат да съществуват вътре в електрона не само под формата на компактни монополи, но и под формата на хомогенно вещество, т.е. образуват практически безструктурно вещество ? кристален? хомогенен? частица. Това обаче е много съмнително.
4.6. Всяка от предложените за разглеждане опции има своите предимства и недостатъци, например:
а) Варианти №1. Електроните с този дизайн правят възможно лесното образуване на дробни частици с маса и заряд, кратни на 1/3, но в същото време затрудняват обяснението на собственото магнитно поле на електрона.
б) Вариант № 2. Този електрон, когато се движи около ядрото на атома, е постоянно ориентиран към ядрото с електрическия си монопол и следователно може да има само два варианта на въртене около оста си - по посока на часовниковата стрелка или обратно (изключение на Паули?) и т.н.
4.7. При разглеждането на посочените (или новопредложените) опции е задължително да се вземат предвид действителните свойства и характеристики на електрона, както и да се вземат предвид редица задължителни изисквания, например:
Наличие на електрическо поле (заряд);
Наличие на магнитно поле;
Еквивалентност на някои параметри, например: масата на електрона е еквивалентна на неговия заряд и обратно;
Способността да се образуват дробни частици с маса и заряд, кратни на 1/3;
Наличие на набор от квантови числа, спин и др.
4.8. Електронът се появява като двукомпонентна частица, в която едната половина (1/2) е уплътнено електрическо поле-минус (електричен монопол-минус), а втората половина (1/2) е уплътнено магнитно поле (магнитен монопол -Н). Все пак трябва да се има предвид, че:
Електрическите и магнитните полета при определени условия могат да се генерират взаимно (превръщат се едно в друго);
Електронът не може да бъде еднокомпонентна частица и да се състои 100% от минус поле, тъй като еднократно заредено минус поле ще се разпадне поради отблъскващи сили. Ето защо трябва да има магнитен компонент вътре в електрона.
4.9. За съжаление, в тази работа не е възможно да се извърши пълен анализ на всички предимства и недостатъци на предложените опции и да се избере единственият правилен вариант за вътрешната структура на електрона.
Част 5. „Вълнови свойства на електрона.“
5.1. „В края на 1924 г. гледната точка, според която електромагнитното излъчване се държи отчасти като вълни и отчасти като частици, стана общоприета... И точно по това време французинът Луи де Бройл, който по това време беше аспирант, имаше гениална идея: защо същото нещо не може да бъде и за веществото? Луи дьо Бройл извърши противоположна работа върху частиците на това, което Айнщайн направи върху светлинните вълни. Айнщайн свързва електромагнитните вълни със светлинните частици; де Бройл свързва движението на частиците с разпространението на вълни, които той нарича вълни на материята. Хипотезата на Де Бройл се основава на сходството на уравненията, описващи поведението на светлинните лъчи и частиците на материята, и има чисто теоретичен характер. Бяха необходими експериментални факти, за да го потвърдят или опровергаят.
5.2. „През 1927 г. американските физици К. Дейвисън и К. Гермър откриха, че когато електроните се „отразят“ от повърхността на никелов кристал, при определени ъгли на отражение се появяват максимуми. Подобни данни (появата на максимуми) вече са налични от наблюдението на дифракция на рентгенови вълни върху кристални структури. Следователно появата на тези максимуми в отразените електронни лъчи не може да бъде обяснена по друг начин, освен въз основа на представи за вълните и тяхната дифракция. Така вълновите свойства на частиците - електроните (и хипотезата на де Бройл) са доказани чрез експеримент. ."(° С)
5.3. Въпреки това, разглеждането на процеса на поява на корпускулярни свойства на фотон, очертан в тази работа (виж фиг. 5.), ни позволява да направим съвсем недвусмислени заключения:
а) когато дължината на вълната намалява от 10 -4 до 10 - 10 (C) (C) (C) (C) (C) вижте, че електрическите и магнитните полета на фотона стават по-плътни
(C) (C) (C) (C) (C) (C) (C) (C) (C) (C) б) когато електрическите и магнитните полета станат по-плътни на „разделителната линия“, започва бързо нарастване на „плътността“ на полетата и вече в рентгеновия диапазон плътността на полето е сравнима с плътността на „обикновен ” частица.
в) следователно рентгеновият фотон, когато взаимодейства с препятствие, вече не се отразява от препятствието като вълна, а започва да отскача от него като частица.
5.4. Това е:
а) вече в диапазона на меките рентгенови лъчи електромагнитните полета на фотоните са станали толкова плътни, че е много трудно да се открият вълновите им свойства. Цитат: „Колкото по-къса е дължината на вълната на един фотон, толкова по-трудно е да се открият свойствата на една вълна и толкова по-изразени са свойствата на една частица.“
б) в твърдия рентгенов и гама диапазон фотоните се държат като 100% частици и е почти невъзможно да се открият вълнови свойства в тях. Тоест: рентгенов и гама фотон напълно губи свойствата на вълна и се превръща в сто процента частица. Цитат: „Енергията на квантите в рентгеновия и гама диапазоните е толкова висока, че излъчването се държи почти изцяло като поток от частици“ (c).
в) следователно в експериментите за разсейване на рентгенов фотон от повърхността на кристал вече не е вълна, а обикновена частица, която отскача от повърхността на кристала и повтаря структурата на кристалната решетка.
5.5. Преди експериментите на K. Davisson и K. Germer вече имаше експериментални данни за наблюдение на дифракция на рентгенови вълни върху кристални структури. Следователно, след като са получили подобни резултати в експерименти с разсейване на електрони върху никелов кристал, те автоматично приписват вълнови свойства на електрона. Въпреки това, електронът е „твърда“ частица, която има реална маса в покой, размери и т.н. Не електрон-частицата се държи като фотон-вълна, но рентгеновият фотон има (и проявява) всички свойства на частица. Не електронът се отразява от препятствието като фотон, а рентгеновият фотон се отразява от препятствието като частица.
5.6. Следователно: електронът (и другите частици) не са имали, нямат и не могат да имат никакви „вълнови свойства“. И няма никакви предпоставки, а още по-малко възможности за промяна на тази ситуация.
Част 6. Изводи.
6.1. Електронът и позитронът са първите и фундаментални частици, чието присъствие определя появата на кварките, протоните, водорода и всички останали елементи от периодичната система.
6.2. В исторически план едната частица се наричаше електрон и й беше даден знак минус (материя), а другата се наричаше позитрон и й беше даден знак плюс (антиматерия). „Те се съгласиха да считат електрическия заряд на електрона за отрицателен в съответствие с по-ранно споразумение да нарекат заряда на наелектризирания кехлибар отрицателен“ (c).
6.3. Електронът може да се появи (появи = роди) само в двойка с позитрон (двойка електрон-позитрон). Появата в природата на поне един „несдвоен“ (единичен) електрон или позитрон е нарушение на закона за запазване на заряда, общата електрическа неутралност на материята и е технически невъзможно.
6.4. Образуването на двойка електрон-позитрон в кулоновото поле на заредена частица става след разделянето на елементарни фотонни кванти в надлъжна посока на две съставни части: отрицателна - от която се образува отрицателна частица (електрон) и положителна - от която образува се плюсова частица (позитрон). Разделянето на електрически неутрален фотон в надлъжна посока на две части с абсолютно еднаква маса, но различни по заряди (и магнитни полета) е естествено свойство на фотона, произтичащо от законите за запазване на заряда и т.н. ” е изключен електрон дори на незначителни количества „плюс частици”, а „вътре” в позитрона – „минус частица”. Изключва се и наличието на електрически неутрални „частици“ (отломки, парчета, фрагменти и т.н.) от фотона майка вътре в електрона и протона.
6.5. По неизвестни причини абсолютно всички електрони и позитрони се раждат като стандартни „максимум-минимални“ частици (т.е. не могат да бъдат по-големи и по-малки по маса, заряд, размери и други характеристики). Образуването на по-малки или по-големи плюс частици (позитрони) и минус частици (електрони) от електромагнитни фотони е изключено.
6.6. Вътрешната структура на електрона е уникално предопределена от последователността на появата му: електронът се формира като двукомпонентна частица, която е 50% уплътнено електрическо поле-минус (електричен монопол-минус) и 50% уплътнено магнитно поле (магнитен монопол-N). Тези два монопола могат да се разглеждат като различно заредени частици, между които възникват сили на взаимно привличане (сцепление).
6.7. Магнитни монополи съществуват, но не в свободна форма, а само като компоненти на електрон и позитрон. В този случай магнитният монопол (N) е неразделна част от електрона, а магнитният монопол (S) е неразделна част от позитрона. Наличието на магнитен компонент „вътре“ в електрона е задължително, тъй като само магнитен монопол-(N) може да образува много силна (и безпрецедентна по сила) връзка с еднократно зареден електрически монопол-минус.
6.8. Електроните и позитроните имат най-голяма стабилност и са частици, чийто разпад е теоретично и практически невъзможен. Те са неделими (по отношение на заряд и маса), тоест: изключено е спонтанно (или принудително) разделяне на електрон или позитрон на няколко калибрирани или „различни по размер“ части.
6.9. Електронът е вечен и не може да „изчезне“, докато не срещне друга частица, която има електрически и магнитен заряд, равни по големина, но противоположни по знак (позитрон).
6.10. Тъй като от електромагнитните вълни могат да се появят само две стандартни (калибрирани) частици: електрон и позитрон, тогава на тяхна основа могат да се появят само стандартни кварки, протони и неутрони. Следователно цялата видима (барионна) материя на нашата и всички други вселени се състои от едни и същи химични елементи (периодична таблица) и същите физически константи и фундаментални закони, подобни на „нашите“ закони, се прилагат навсякъде. Изключва се появата във всяка точка на безкрайното пространство на „други” елементарни частици и „други” химически елементи.
6.11. Цялата видима материя в нашата Вселена е образувана от фотони (вероятно от микровълновия диапазон) по единствената възможна схема: фотон → двойка електрон-позитрон → дробни частици → кварки, глуон → протон (водород). Следователно цялата „твърда“ материя на нашата Вселена (включително Хомо сапиенс) е кондензирани електрически и магнитни полета от фотони. Друга „материя” за нейното образуване в Космоса не е имало, няма и не може да има.
P.S. Електронът неизчерпаем ли е?