Электрон (элементарная частица). Электрон. Образование и строение электрона. Магнитный монополь электрона Чему равна масса электрона в физике

Известно, что электроны имеют отрицательный заряд. Но каким образом можно убедиться в том, что масса электрона и его заряд постоянны для всех этих частиц? Проверить это можно, только поймав его на лету. Остановившись, он затеряется среди молекул и атомов, из которых состоит лабораторное оборудование. Процесс познания микромира и его частиц проделал долгий путь: от первых примитивных экспериментов до новейших разработок в области экспериментальной атомной физики.

Первые сведения об электронах

Сто пятьдесят лет назад электроны известны не были. Первым звоночком, указывающим на существование «кирпичиков» электричества, были опыты по электролизу. Во всех случаях каждая заряженная частичка вещества несла стандартный электрический заряд, имевший одну и ту же величину. В некоторых случаях количество заряда удваивалось или утраивалась, но всегда оставалось кратным одной минимальной величине заряда.

Эксперименты Дж. Томпсона

В лаборатории Кавендиша Дж. Томсон провел эксперимент, реально доказывающий существование частиц электричества. Для этого ученый исследовал излучение, исходящее из катодных трубок. В эксперименте лучи отталкивались от отрицательно заряженной пластины и притягивались к положительно заряженной. Гипотеза о постоянном присутствии в электрическом поле неких электрических частиц подтвердилась. Скорость движения их была сопоставима со скоростью света. Электрический заряд в пересчете на массу частицы оказался неимоверно большим. Из своих наблюдений Томпсон вывел несколько заключений, которые впоследствии были подтверждены другими исследованиями.

Выводы Томпсона

Атомы могут быть разбиты при бомбардировке более быстрыми частицами. При этом из середины атомов вырываются отрицательно заряженные корпускулы.
Все заряженные частицы имеют одинаковую массу и заряд вне зависимости от вещества, из которого они были получены.
Масса этих частиц гораздо меньше массы самого легкого атома.
Каждая частица вещества несет в себе наименьшую возможную долю электрического заряда, меньше которого в природе не существует. Любое заряженное тело несет в себе целое количество электронов.

Подробные опыты дали возможность произвести расчеты параметров таинственных микрочастиц. В результате было выяснено, что открытые заряженные корпускулы являются неделимыми атомами электричества. Впоследствии им было дано название электронов. Оно пришло еще из Древней Греции и оказалось уместным для описания новооткрытой частицы.

Прямое измерение скорости электрона

Поскольку нет никаких возможностей увидеть электрон, опыты, необходимые для измерения базовых величин этой элементарной частицы, производятся с помощью полей - электромагнитного и гравитационного. Если первое воздействует только на заряд электрона, то с помощью тонких опытов, учитывая гравитационное воздействие, можно было приблизительно рассчитать массу электрона.

Электронная пушка

Самые первые измерения масс и зарядов электронов были проведены с помощью электронной пушки. Глубокий вакуум в теле пушки позволяет электронам нестись узким пучком от одного катода к другому.

Электроны заставляют дважды проходить через узкие отверстия с постоянной скоростью v . Происходит процесс, подобный тому, как струя из садового шланга попадает в дырку в заборе. Порции электронов летят вдоль трубки с постоянной скоростью. Экспериментально доказано, что если напряжение, приложенное к электронной пушке, составляет 100 В, то скорость электрона будет рассчитана как 6 млн м/с.

Экспериментальные выводы

Прямое измерение скорости электрона показывает, что вне зависимости от того, из каких материалов сделана пушка и какова разность потенциалов, выполняется соотношение e/m = const.

Этот вывод был сделан уже в начале XX столетия. Однородные пучки заряженных частиц тогда еще создавать не умели, для опытов использовались другие приборы, но результат оставался тем же. Эксперимент позволил сделать несколько выводов. Отношение заряда электрона к его массе имеет одну и ту же величину для электронов. Это дает возможность сделать заключение об универсальности электрона как составной части любой материи в нашем мире. При очень больших скоростях величина e/m оказывается меньше ожидаемой. Этот парадокс вполне объясним тем фактом, что при высоких скоростях, сопоставимых со скоростью света, масса частицы увеличивается. Граничные условия преобразований Лоренца говорят о том, что при скорости тела, равной скорости света, масса этого тела становится бесконечной. Заметное увеличение массы электрона происходит в полном согласии с теорией относительности.

Электрон и его масса покоя

Парадоксальное заключение о том, что масса электрона непостоянна, влечет за собой несколько интересных выводов. В обычном состоянии масса покоя электрона не меняется. Ее можно измерить на основании различных экспериментов. В настоящее время масса электрона неоднократно измерена и составляет 9,10938291(40)·10⁻³¹ кг. Электроны с такой массой вступают в химические реакции, формируют движение электрического тока, улавливаются точнейшими приборами, регистрирующими ядерные реакции. Заметное увеличение этого значения возможно только при скоростях, близких к скорости света.

Электроны в кристаллах

Физика твердого тела - это наука, ведущая наблюдения за поведением заряженных частиц в кристаллах. Итогом многочисленных экспериментов стало создание особой величины, характеризующей поведение электрона в силовых полях кристаллических веществ. Это так называемая эффективная масса электрона. Ее величина вычисляется исходя из того, что движение электрона в кристалле подчиняется дополнительным силам, источником которых является сама кристаллическая решетка. Такое движение можно описать как стандартное для свободного электрона, но при расчете импульса и энергии такой частицы следует принимать во внимание не массу покоя электрона, а эффективную, значение которой будет другим.

Импульс электрона в кристалле

Состояние любой свободной частицы может быть охарактеризовано величиной ее импульса. Поскольку значение импульса уже определено, то, согласно принципу неопределенности, координаты частицы словно размыты по всему кристаллу. Вероятность встретить электрон в любой точке кристаллической решетки практически одинакова. Импульс электрона характеризует его состояние в любой координате энергетического поля. Расчеты показывают, что зависимость энергии электрона от его импульса такая же, как и свободной частицы, но при этом масса электрона может принимать значение, отличающееся от обычного. В целом энергия электрона, выраженная через импульс, будет иметь вид E(p)=p 2 /2m*. В данном случае m* - эффективная масса электрона. Практическое применение эффективной массы электрона чрезвычайно важно при разработке и изучении новых полупроводниковых материалов, применяемых в электронике и микротехнике.

Масса электрона, как и любой другой квазичастицы, не может быть охарактеризована стандартными характеристиками, пригодными в нашей Вселенной. Любая характеристика микрочастицы способна удивлять и подвергать сомнению все наши представления об окружающем мире.

Электрон - фундаментальная частица, одна из тех, что являются структурными единицами вещества. По классификации является фермионом (частица с полуцелым спином, названа в честь физика Э. Ферми) и лептоном (частицы с полуцелым спином, не участвующие в сильном взаимодействии, одном из четырех основных в физике). Барионное равно нулю, как и других лептонов.

До недавнего времени считалось, что электрон - элементарная, то есть неделимая, не имеющая структуры частица, однако сейчас ученые другого мнения. Из чего состоит электрон по представлению современных физиков?

История названия

Еще в Древней Греции естествоиспытатели заметили, что янтарь, предварительно натертый шерстью, притягивает к себе мелкие предметы, то есть проявляет электромагнитные свойства. Свое название электрон получил от греческого ἤλεκτρον, что и означает "янтарь". Термин предложил Дж. Стоуни в 1894 году, хотя сама частица была открыта Дж. Томпсоном в 1897 году. Обнаружить ее было сложно, причиной этому служит малая масса, и заряд электрона стал в опыте по нахождению решающим. Первые снимки частицы получил Чарльз Вильсон с помощью специальной камеры, которая применяется даже в современных экспериментах и названа в его честь.

Интересен факт, что одной из предпосылок к открытию электрона является высказывание Бенджамина Франклина. В 1749 году он разработал гипотезу, согласно которой, электричество - это материальная субстанция. Именно в его работах были впервые применены такие термины, как положительный и отрицательный заряды, конденсатор, разряд, батарея и частица электричества. Удельный заряд электрона принято считать отрицательным, а протона - положительным.

Открытие электрона

В 1846 году понятие «атом электричества» стал использовать в своих работах немецкий физик Вильгельм Вебер. Майкл Фарадей открыл термин «ион», который сейчас, пожалуй, знают все еще со школьной скамьи. Вопросом природы электричества занимались многие именитые ученые, такие как немецкий физик и математик Юлиус Плюккер, Жан Перрен, английский физик Уильям Крукс, Эрнст Резерфорд и другие.

Таким образом, прежде чем Джозеф Томпсон успешно завершил свой знаменитый опыт и доказал существование частицы меньшей, чем атом, в этой сфере трудилось множество ученых, и открытие было бы невозможно, не проделай они этой колоссальной работы.

В 1906 году Джозеф Томпсон получил Нобелевскую премию. Опыт заключался в следующем: сквозь параллельные металлические пластины, создававшие электрическое поле, пропускались пучки катодных лучей. Затем они должны были проделать такой же путь, но уже через систему катушек, создававших магнитное поле. Томпсон обнаружил, что при действии электрического поля лучи отклонялись, и то же самое наблюдалось при магнитном воздействии, однако пучки катодных лучей не меняли траектории, если на них действовали оба этих поля в определенных соотношениях, которые зависели от скорости частиц.

После расчетов Томпсон узнал, что скорость этих частиц существенно ниже скорости света, а это значило, что они обладают массой. С этого момента физики стали считать, что открытые частицы материи входят в состав атома, что впоследствии и подтвердилось Он назвал ее «планетарная модель атома».

Парадоксы квантового мира

Вопрос о том, из чего состоит электрон, достаточно сложен, по крайней мере, на данном этапе развития науки. Прежде чем рассматривать его, нужно обратиться к одному из парадоксов квантовой физики, которые даже сами ученые не могут объяснить. Это знаменитый эксперимент с двумя щелями, объясняющий двойственную природу электрона.

Его суть в том, что перед «пушкой», стреляющей частицами, установлена рамка с вертикальным прямоугольным отверстием. Позади нее находится стена, на которой и будут наблюдаться следы от попаданий. Итак, для начала нужно разобраться, как ведет себя материя. Проще всего представить, как запускаются машиной теннисные мячики. Часть шариков попадает в отверстие, и следы от попаданий на стене складываются в одну вертикальную полосу. Если на некотором расстоянии добавить еще одно такое же отверстие, следы будут образовывать, соответственно, две полосы.

Волны же в такой ситуации ведут себя по-другому. Если на стене будут отображаться следы от столкновения с волной, то в случае с одним отверстием полоса тоже будет одна. Однако все меняется в случае с двумя щелями. Волна, проходя через отверстия, делится пополам. Если вершина одной из волн встречается с нижней частью другой, они гасят друг друга, и на стене появится интерференционная картина (несколько вертикальных полос). Места на пересечении волн оставят след, а места, где произошло взаимное гашение, нет.

Удивительное открытие

С помощью вышеописанного эксперимента ученые могут наглядно продемонстрировать миру различие между квантовой и классической физикой. Когда они стали обстреливать стену электронами, на ней проявлялся обычный вертикальный след: некоторые частицы, точно так же как теннисные мячики, попадали в щель, а некоторые нет. Но все изменилось, когда возникло второе отверстие. На стене проявилась Сначала физики решили, что электроны интерферируют между собой, и решили пускать их по одному. Однако уже спустя пару часов (скорость движущихся электронов все же гораздо ниже скорости света) снова стала проявляться интерференционная картина.

Неожиданный поворот

Электрон, вместе с некоторыми другими частицами, такими как фотоны, проявляет корпускулярно-волновой дуализм (также применяется термин "квантово-волновой дуализм"). Подобно одновременно и жив, и мертв, состояние электрона может быть как корпускулярным, так и волновым.

Однако следующий шаг в этом эксперименте породил еще больше загадок: фундаментальная частица, о которой, казалось, известно все, преподнесла невероятный сюрприз. Физики решили установить у отверстий наблюдательное устройство, чтобы зафиксировать, через какую именно щель проходят частицы, и каким образом они проявляют себя в качестве волны. Но как только было поставлен наблюдательный механизм, на стене появились только две полосы, соответствующие двум отверстиям, и никакой интерференционной картины! Как только «слежку» убирали, частица вновь начинала проявлять волновые свойства, будто знала, что за ней уже никто не наблюдает.

Еще одна теория

Физик Борн предположил, что частица не превращается в волну в прямом смысле слова. Электрон «содержит» в себе волну вероятности, именно она дает интерференционную картину. Эти частицы обладают свойством суперпозиции, то есть могут находиться в любом месте с определенной долей вероятности, поэтому их и может сопровождать подобная «волна».

Тем не менее результат налицо: сам факт наличия наблюдателя влияет на результат эксперимента. Кажется невероятным, но это не единственный пример подобного рода. Физики проводили опыты и на более крупных частях материи, однажды объектом стал тончайший отрез алюминиевой фольги. Ученые отметили, что один только факт некоторых измерений влиял на температуру предмета. Природу подобных явлений они объяснить пока еще не в силах.

Структура

Но из чего состоит электрон? На данный момент современная наука не может дать ответ на этот вопрос. До недавнего времени он считался неделимой фундаментальной частицей, сейчас же ученые склоняются к тому, что он состоит из еще более мелких структур.

Удельный заряд электрона также считался элементарным, но теперь открыты кварки, имеющие дробный заряд. Существует несколько теорий относительно того, из чего состоит электрон.

Сегодня можно увидеть статьи, в которых заявляется, что ученым удалось разделить электрон. Однако это верно лишь отчасти.

Новые эксперименты

Советские ученые еще в восьмидесятых годах прошлого века предположили, что электрон возможно будет разделить на три квазичастицы. В 1996 году удалось разделить его на спинон и холон, а недавно физиком Ван ден Бринком и его командой частица была разделена на спинон и орбитон. Однако расщепления удается добиться только в специальных условиях. Эксперимент может проводиться в условиях крайне низких температур.

Когда электроны «остывают» до абсолютного нуля, а это около -275 градусов по Цельсию, они практически останавливаются и образуют между собой нечто вроде материи, будто сливаясь в одну частицу. В таких условиях физикам и удается наблюдать квазичастицы, из которых «состоит» электрон.

Переносчики информации

Радиус электрона очень мал, он равен 2,81794 . 10 -13 см, однако выходит, что его составляющие имеют намного меньший размер. Каждая из трех частей, на которые удалось «разделить» электрон, несет в себе информацию о нем. Орбитон, как следует из названия, содержит данные об орбитальной волне частицы. Спинон отвечает за спин электрона, а холон сообщает нам о заряде. Таким образом, физики могут наблюдать отдельно различные состояния электронов в сильно охлажденном веществе. Им удалось проследить пары «холон-спинон» и «спинон-орбитон», но не всю тройку вместе.

Новые технологии

Физикам, открывшим электрон, пришлось ждать несколько десятков лет до тех пор, пока их открытие было применено на практике. В наше время технологии находят использование уже через несколько лет, достаточно вспомнить графен - удивительный материал, состоящий из атомов углерода в один слой. Чем будет полезно расщепление электрона? Ученые предрекают создание скорость которого, по их мнению, в несколько десятков раз больше, чем у самых мощных современных ЭВМ.

В чем тайна квантовой компьютерной технологии? Это можно назвать простой оптимизацией. В привычном компьютере минимальная, неделимая часть информации - это бит. И если мы считаем данные чем-то визуальным, то для машины варианта только два. Бит может содержать либо ноль, либо единицу, то есть части двоичного кода.

Новый метод

Теперь давайте представим, что в бите содержится и ноль, и единица - это «квантовый бит», или «кьюбит». Роль простых переменных будет играть спин электрона (он может вращаться либо по часовой стрелке, либо против). В отличие от простого бита, кьюбит может выполнять одновременно несколько функций, за счет этого и будет происходить увеличение скорости работы, малая масса и заряд электрона здесь не имеют значения.

Объяснить это можно на примере с лабиринтом. Чтобы выбраться из него, нужно перепробовать множество различных вариантов, из которых правильным будет только один. Традиционный компьютер пусть и решает задачи быстро, но все же в один момент времени может работать только над одной-единственной проблемой. Он переберет по одному все варианты путей, и в итоге обнаружит выход. Квантовый же компьютер, благодаря двойственности кьюбита, может решать множество задач одновременно. Он пересмотрит все возможные варианты не по очереди, а в единый момент времени, и тоже решит задачу. Трудность пока состоит только в том, чтобы заставить множество квантов работать над одной задачей - это и будет основой компьютера нового поколения.

Применение

Большинство людей пользуется компьютером на бытовом уровне. С этим пока отлично справляются и обычные ПК, однако чтобы прогнозировать события, зависящие от тысяч, а может и сотен тысяч переменных, машина должна быть просто огромна. же легко справится с такими вещами, как прогнозирование погоды на месяц, обработка данных по стихийным бедствиям и их предсказание, а также будет совершать сложнейшие математические вычисления со многими переменными за долю секунды, и все это с процессором величиной в несколько атомов. Так что возможно, уже очень скоро наши самые мощные компьютеры будут толщиной с лист бумаги.

Сохранение здоровья

Квантовые компьютерные технологии внесут огромный вклад в медицину. Человечество получит возможность создавать наномеханизмы с мощнейшим потенциалом, с их помощью можно будет не только диагностировать болезни, просто посмотрев на весь организм изнутри, но и оказывать медицинскую помощь без хирургического вмешательства: мельчайшие роботы с «мозгами» отличного компьютера смогут выполнять все операции.

Неизбежна революция и в сфере компьютерных игр. Мощные машины, способные мгновенно решать задачи, смогут воспроизводить игры с невероятно реалистичной графикой, не за горами уже и компьютерные миры с полным погружением.

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 равен 1,76*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 которых теоретически 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?

Свойства

Заряд электрона неделим и равен −1,602176565(35)·10 −19 Кл (или −4,80320427(13)·10 −10 ед. заряда СГСЭ в системе СГСЭ или −1,602176565(35)·10 −20 ед. СГСМ в системе СГСМ); он был впервые непосредственно измерен в экспериментах (англ. ) 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 9,10938291(40)·10 −31 кг.

Кг - масса электрона.

Кл - заряд электрона.

Кл/кг - удельный заряд электрона.

Спин электрона в единицах

Согласно современным представлениям физики элементарных частиц, электрон неделим и бесструктурен (как минимум до расстояний 10 −17 см). Электрон участвует в слабом, электромагнитном и гравитационном взаимодействиях. Он принадлежит к группе лептонов и является (вместе со своей античастицей, позитроном) легчайшим из заряженных лептонов. До открытия массы нейтрино электрон считался наиболее лёгкой из массивных частиц - его масса примерно в 1836 раз меньше массы протона. Спин электрона равен 1/2, и, таким образом, электрон относится к фермионам. Как и любая заряженная частица со спином, электрон обладает магнитным моментом, причем магнитный момент делится на нормальную часть и аномальный магнитный момент. Иногда к электронам относят как собственно электроны, так и позитроны (например, рассматривая их как общее электрон-позитронное поле, решение уравнения Дирака). В этом случае отрицательно заряженный электрон называют негатроном, положительно заряженный - позитроном. [источник не указан 120 дней ]

Находясь в периодическом потенциале кристалла, электрон рассматривается как квазичастица, эффективная масса которой может значительно отличаться от массы электрона.

Свободный электрон не может поглотить фотон, хотя и может рассеять его (см. эффект Комптона).

Этимология и история открытия

Название «электрон» происходит от греческого слова ἤλεκτρον, означающего «янтарь»: ещё в древней Греции естествоиспытателями проводились эксперименты - куски янтаря тёрли шерстью, после чего те начинали притягивать к себе мелкие предметы. Термин «электрон» как название фундаментальной неделимой единицы заряда в электрохимии был предложен Дж. Дж. Стоуни (англ. ) в 1894 (сама единица была введена им в 1874). Открытие электрона как частицы принадлежит Э. Вихерту и Дж. Дж. Томсону, который в 1897 установил, что отношение заряда к массе для катодных лучей не зависит от материала источника. (см. Открытие электрона)

Открытие волновых свойств . Согласно гипотезе де Бройля (1924), электрон (как и все другие материальные микрообъекты) обладает не только корпускулярными, но и волновыми свойствами. Де-бройлевская длина волны нерелятивистского электрона равна , где - скорость движения электрона. В соответствии с этим электроны, подобно свету, могут испытывать интерференцию и дифракцию. Волновые свойства электронов были экспериментально обнаружены в 1927 американскими физиками К. Дэвиссоном и Л. Джермером (Опыт Дэвиссона - Джермера) и независимо английским физиком Дж. П. Томсоном.

Использование

В большинстве источников низкоэнергетичных электронов используются явления термоэлектронной эмиссии и фотоэлектронной эмиссии. Высокоэнергетичные, с энергией от нескольких кэВ до нескольких МэВ, электроны излучаются в процессах бета-распада и внутренней конверсии радиоактивных ядер. Электроны, излучаемые в бета-распаде, иногда называют бета-частицами или бета-лучами. Источниками электронов с более высокой энергией служат ускорители.

Движение электронов в металлах и полупроводниках позволяет легко переносить энергию и управлять ею; это является одной из основ современной цивилизации и используется практически повсеместно в промышленности, связи, информатике, электронике, в быту. Скорость дрейфа электронов в проводниках очень мала (~0,1-1 мм/с), однако электрическое поле распространяется со скоростью света. В связи с этим ток во всей цепи устанавливается практически мгновенно.

Пучки электронов, ускоренные до больших энергий, например, в линейных ускорителях, являются одним из основных средств изучения строения атомных ядер и природы элементарных частиц. Более прозаическим применением электронных лучей являются телевизоры и мониторы с электронно-лучевыми трубками (кинескопами). Электронный микроскоп также использует способность электронных пучков подчиняться законам электронной оптики. До изобретения транзисторов практически вся радиотехника и электроника были основаны на вакуумных электронных лампах, где применяется управление движением электронов в вакууме электрическими (иногда и магнитными) полями. Электровакуумные приборы (ЭВП) продолжают ограниченно использоваться и в наше время; наиболее распространённые применения - магнетроны в генераторах микроволновых печей и вышеупомянутые электронно-лучевые трубки (ЭЛТ) в телевизорах и мониторах.

Электрон как квазичастица

Если электрон находится в периодическом потенциале, его движение рассматривается как движение квазичастицы. Его состояния описываются квазиволновым вектором. Основной динамической характеристикой в случае квадратичного закона дисперсии является эффективная масса, которая может значительно отличаться от массы свободного электрона и в общем случае является тензором.

Электрон и Вселенная

Известно , что из каждых 100 нуклонов во Вселенной, 87 являются протонами и 13 - нейтронами (последние в основном входят в состав ядер гелия). Для обеспечения общей нейтральности вещества число протонов и электронов должно быть одинаково. Плотность барионной (наблюдаемой оптическими методами) массы, которая состоит в основном из нуклонов, достаточно хорошо известна (один нуклон на 0,4 кубического метра) . С учётом радиуса наблюдаемой Вселенной (13,7 млрд световых лет) можно подсчитать, что число электронов в этом объёме составляет ~10 80 , что сопоставимо с большими числами Дирака.

См. также

Теория одноэлектронной Вселенной
Электричество
Электроника
Фотоэлектронный умножитель
Электронная лампа

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.

Имеет двойственную природу. Находясь в непрерывном движении в поле ядра атома, электрон одновременно проявляет свойства волны и частицы. Движение электрона подчиняется законам .
Связь между волновыми и корпускулярными свойствами электрона отражает соотношение де Бройля:
λ =h/mv ,

Энергию и координаты электрона, как и других элементарных частиц, невозможно одновременно измерить с одинаковой точностью ( Гейзенберга). Поэтому движение электрона в атоме или в молекуле нельзя описать с помощью траектории. Электрон может находиться в любой точке пространства, но с разной вероятностью .

Часть пространства, в котором велика вероятность нахождения электрона, называют или электронным облаком.

Электрон элементарная частица, входящая в состав атома.
Заряд 1.6 · 10 19 Кл (1 элементарный заряд).
Масса 0,0005486 а.е.м. (1/1836 массы протона).
Спин 1/2.
Открыт Дж.Дж. Томпсоном в 1897 г.
Движение электрона подчиняется законам квантовой механики.

Электронная орбиталь

Электрон, находясь в непрерывном движении в поле ядра атома, одновременно проявляет свойства волны и частицы. Для описания его состояния в атоме или в молекуле используется волновая функция Ψ (x,y,z ), называемая орбиталью (x,y,z – пространственные координаты).
Квадрат модуля функции |Ψ| 2 dτ определяет вероятность нахождения электрона в данном элементарном объеме dτ . В квантовой механике орбиталь Ψ является решением волнового уравнения Шрёдингера:

Е Ψ = Ψ ,
где Е – энергия, – оператор Гамильтона.

Волновая функция Ψ является амплитудой стоячей волны, её знак может быть положительным или отрицательным. Квадрат модуля волновой функции, соответствующий плотности электронного облака в данном объеме, всегда положительный.
Часто используют упрощенный подход и орбиталью называют область пространства, в котором вероятность нахождения электрона максимальна (~ 95%).

Квантовая механика физическая теория, устанавливающая законы движения микрочастиц (электронов, ядер и др.). Основные отличия квантовой механики от классической (описывающей движение макрочастиц) заключаются в следующем:

Некоторые физические величины в квантовой механике имеют вероятностный характер. Например, положение (координаты) и скорость микрочастицы невозможно определить точно, а можно лишь рассчитать вероятность их различных значений.
Изменение некоторых физических величин в квантовой механике происходит не непрерывно, а дискретно. Например, энергия микрочастицы может иметь лишь некоторые определенные значения.

Принцип неопределенности Гейзенберга

Экспериментальные исследования свойств микрочастиц (атомов, электронов, ядер, фотонов и др.) показали, что точность определения их динамических переменных (координат, кинетической энергии, импульсов и т.п.) ограничена и регулируется открытым в 1927 г. В. Гейзенбергом принципом неопределенности. Согласно этому принципу динамические переменные, характеризующие систему, могут быть разделены на две (взаимно дополнительные) группы:

При этом невозможно определить одновременно переменные из разных групп с любой желаемой степенью точности (например, координаты и импульсы, время и энергию). Это связано не с ограниченной разрешающей способностью приборов и техники эксперимента, а отражает фундаментальный закон природы. Его математическая формулировка дается соотношениями:

Обычно достаточно точно указывают значение энергии микрочастицы, так как эта величина сравнительно легко определяется экспериментально.