電子（素粒子）。電子。電子の教育と構造。電子の磁気単極子物理学における電子の質量とは何ですか

電子はマイナスの電荷を持っていることが知られています。しかし、電子の質量とその電荷がこれらすべての粒子について一定であることをどうやって確認できるのでしょうか? これは、その場でキャッチすることによってのみ確認できます。立ち止まると、彼は実験装置を構成する分子や原子の間で迷うことになります。小宇宙とその粒子を理解するプロセスは、最初の原始的な実験から実験原子物理学の分野における最新の発展に至るまで、長い道のりを歩んできました。

電子に関する初めての情報

150年前には電子は知られていませんでした。電気の「構成要素」の存在を示す最初の信号は、電気分解の実験でした。すべての場合において、物質の各荷電粒子は同じ値の標準電荷を持っています。場合によっては、チャージ額が 2 倍または 3 倍になることもありましたが、常に最低チャージ額の倍数のままでした。

J. トンプソンによる実験

キャベンディッシュの研究室では、J. トムソンが電気の粒子の存在を実際に証明する実験を実施しました。これを行うために、科学者は陰極管から放射される放射線を調べました。実験では、光線はマイナスに帯電したプレートからはじかれ、プラスに帯電したプレートに引き寄せられました。電界中に特定の電気粒子が常に存在するという仮説が確認されました。彼らの移動速度は光の速度に匹敵しました。粒子の質量に換算した電荷は信じられないほど大きいことが判明しました。トンプソンは彼の観察からいくつかの結論を導き出し、それらは後に他の研究によって確認されました。

トンプソンの結論

原子は、より高速な粒子が衝突するとばらばらになる可能性があります。同時に、マイナスに帯電した微粒子が原子の中央から脱出します。
すべての荷電粒子は、由来する物質に関係なく、同じ質量と電荷を持ちます。
これらの粒子の質量は、最も軽い原子の質量よりもはるかに小さいです。
物質の各粒子は、自然界には存在しない可能な限り最小の電荷部分を担っています。帯電した物体は整数の電子を運びます。

詳細な実験により、謎の微粒子のパラメータを計算することが可能になりました。その結果、開いた荷電微粒子は不可分な電気原子であることが分かりました。その後、それらには電子という名前が付けられました。これは古代ギリシャに由来し、新しく発見された粒子を説明するのに適切であることが判明しました。

電子速度の直接測定

電子を見る方法がないため、この素粒子の基本量を測定するために必要な実験は、電磁場と重力場を使用して実行されます。最初のものが電子の電荷にのみ影響する場合、重力の影響を考慮した微妙な実験の助けを借りて、電子の質量を近似的に計算することが可能でした。

電子銃

電子の質量と電荷の最初の測定は、電子銃を使用して行われました。銃本体内の深い真空により、電子はある陰極から別の陰極へ狭いビームで突入します。

電子は一定の速度で狭い穴を2回通過します。 v。このプロセスは、庭のホースからの流れがフェンスの穴に入るのと同じように起こります。電子の一部は管に沿って一定の速度で飛行します。電子銃に印加する電圧が 100 V の場合、電子の速度は 600 万 m/s と計算されることが実験的に証明されています。

実験結果

電子速度を直接測定すると、銃の材質や電位差に関係なく、e/m = const の関係が成り立つことがわかります。

この結論はすでに 20 世紀の初めに出されていました。当時、彼らは均一な荷電粒子ビームを作成する方法をまだ知りませんでした。実験には他の装置が使用されましたが、結果は同じでした。この実験により、いくつかの結論を導き出すことができました。電子の電荷とその質量の比は、電子についても同じ値になります。これにより、私たちの世界のあらゆる物質の構成要素としての電子の普遍性について結論を導くことが可能になります。非常に高速では、e/m の値が予想よりも小さくなることがわかります。この矛盾は、光速に匹敵する高速では粒子の質量が増加するという事実によって完全に説明されます。ローレンツ変換の境界条件は、物体の速度が光の速度と等しい場合、この物体の質量が無限大になることを示しています。電子質量の顕著な増加は、相対性理論と完全に一致して発生します。

電子とその静止質量

電子の質量は一定ではないという逆説的な結論は、いくつかの興味深い結論につながります。通常の状態では、電子の静止質量は変化しません。さまざまな実験に基づいて測定できます。現在、電子の質量は繰り返し測定されており、9.10938291(40)・10-3¹ kg です。このような質量を持つ電子は化学反応に入り、電流の動きを形成し、核反応を記録する最も正確な機器によって捕捉されます。この値の顕著な増加は、光速に近い速度でのみ可能です。

結晶中の電子

固体物理学は、結晶内の荷電粒子の挙動を観察する科学です。数多くの実験の結果、結晶質物質の力場における電子の挙動を特徴付ける特別な量が作成されました。これはいわゆる電子の有効質量です。その値は、結晶内の電子の動きは追加の力の影響を受け、その源は結晶格子自体であるという事実に基づいて計算されます。このような動きは自由電子の標準的な動きであると言えますが、そのような粒子の運動量とエネルギーを計算するときは、電子の静止質量ではなく、有効質量を考慮する必要があり、その値は異なります。

結晶内の電子の運動量

自由粒子の状態は、その運動量の大きさによって特徴付けることができます。運動量の値はすでに決定されているため、不確定性原理によれば、粒子の座標は結晶全体でぼやけているように見えます。結晶格子内のどの点でも電子に遭遇する確率はほぼ同じです。電子の運動量は、エネルギー場の任意の座標における電子の状態を特徴付けます。計算によると、電子のエネルギーの運動量依存性は自由粒子の依存性と同じですが、同時に電子の質量は通常とは異なる値をとる可能性があります。一般に、運動量で表される電子エネルギーは、E(p)=p 2 /2m* の形式になります。この場合、m* は電子の有効質量です。有効電子質量の実用化は、エレクトロニクスやマイクロテクノロジーで使用される新しい半導体材料の開発と研究において非常に重要です。

電子の質量は、他の準粒子と同様に、私たちの宇宙に適した標準的な特性によって特徴付けることができません。微粒子のいかなる特徴も、私たちの周囲の世界についてのすべての考えを驚かせ、疑問を投げかける可能性があります。

電子は基本粒子であり、物質の構造単位である粒子の 1 つです。分類によると、それはフェルミ粒子（物理学者 E. フェルミにちなんで命名された半整数スピンを持つ粒子）とレプトン（4 つの基本粒子の 1 つである強い相互作用に関与しない半整数スピンを持つ粒子）です。物理学のもの）。バリオンは他のレプトンと同様にゼロに等しい。

最近まで、電子は素粒子、つまり分割できない構造のない粒子であると考えられていましたが、現在では科学者たちは異なる意見を持っています。現代の物理学者によれば、電子は何で構成されていますか?

名前の歴史

古代ギリシャでも、博物学者は、羊毛でこすった琥珀が小さな物体を引き付ける、つまり電磁特性を示すことに気づきました。電子の名前は、「琥珀」を意味するギリシャ語の ἤλεκτρον に由来しています。この用語は 1894 年に J. ストーニーによって提案されましたが、粒子自体は 1897 年に J. トンプソンによって発見されました。検出は困難でしたが、その理由は質量が小さいためであり、発見実験では電子の電荷が決定的なものとなりました。この粒子の最初の画像は、チャールズ・ウィルソンによって特殊なカメラを使用して撮影されました。このカメラは現代の実験でも使用されており、彼の名にちなんで名付けられました。

興味深い事実は、電子の発見の前提条件の 1 つがベンジャミンフランクリンの声明であるということです。 1749 年、彼は電気が物質であるという仮説を立てました。正と負の電荷、コンデンサ、放電、電池、電気の粒子などの用語が初めて使用されたのは彼の作品の中でした。電子の比電荷はマイナスであると考えられ、プロトンの比電荷はプラスであると考えられます。

電子の発見

1846 年、ドイツの物理学者ヴィルヘルムウェーバーは、「電気の原子」という概念を作品の中で使用し始めました。マイケル・ファラデーは「イオン」という用語を発見しました。今ではおそらく誰もが学生時代から知っているでしょう。電気の性質の問題は、ドイツの物理学者で数学者のジュリアス・プリュッカー、ジャン・ペリン、英国の物理学者ウィリアム・クルックス、エルンスト・ラザフォードなど、多くの著名な科学者によって研究されました。

したがって、ジョセフ・トンプソンが有名な実験を成功裏に完了させ、原子よりも小さい粒子の存在を証明する前に、多くの科学者がこの分野で研究に取り組み、この途方もない研究がなければ発見は不可能であったでしょう。

1906 年、ジョセフ・トンプソンはノーベル賞を受賞しました。実験は次のような内容で行われました。陰極線のビームが、電場を生成する平行な金属板を通過しました。次に、同じ経路をたどる必要がありましたが、磁場を生成するコイルのシステムを通らなければなりませんでした。トンプソンは、電場にさらされると光線が偏向され、磁気の影響下でも同じことが観察されるが、陰極線のビームは、これらの場の両方から特定の比率で作用された場合にはその軌道を変えないことを発見した。粒子の速度に依存します。

計算の結果、トンプソンはこれらの粒子の速度が光の速度よりも大幅に遅いこと、つまり粒子が質量を持っていることを知りました。その瞬間から、物理学者は物質の開いた粒子が原子の一部であると信じ始め、後に彼はそれを「原子の惑星モデル」と呼びました。

量子の世界のパラドックス

電子が何で構成されているかという問題は、少なくとも科学開発の現段階では非常に複雑です。それを検討する前に、科学者自身ですら説明できない量子物理学のパラドックスの 1 つに対処する必要があります。これは電子の二面性を説明する有名な二重スリット実験です。

その本質は、粒子を発射する「銃」の前に、垂直に長方形の穴が開いたフレームがあることです。彼女の背後には、殴られた痕跡が観察される壁があります。したがって、まず物質がどのように動作するかを理解する必要があります。マシンがテニスボールを発射する仕組みを想像する最も簡単な方法です。いくつかのボールは穴に落ち、壁には打った跡が 1 本の縦縞を形成します。ある程度の距離を置いて同様の穴をもう 1 つ追加すると、トラックはそれぞれ 2 つのストライプを形成します。

このような状況では、波は異なる動作をします。波との衝突による痕跡が壁に表示されている場合、穴が 1 つの場合は縞も 1 つあります。ただし、2 つのスリットの場合はすべてが変わります。穴を通過した波は半分に分割されます。一方の波の上端が他方の波の下端と出会うと、それらは互いに打ち消し合い、壁に干渉パターン（いくつかの垂直縞）が現れます。波が交わる場所には跡が残りますが、打ち消し合った場所には跡が残りません。

驚くべき発見

上記の実験の助けを借りて、科学者は量子物理学と古典物理学の違いを世界に明確に示すことができます。彼らが壁に電子を発射し始めると、壁にはいつもの垂直パターンが見られました。ちょうどテニスボールのように、隙間に落ちた粒子もあれば、落ちなかった粒子もありました。しかし、2番目のホールが現れたとき、すべては変わりました。まず、物理学者は電子が互いに干渉していると判断し、一度に電子を1つずつ入れることにしました。しかし、数時間後（電子の移動速度は依然として光の速度よりはるかに遅い）、干渉縞が再び現れ始めました。

予期せぬ展開

電子は、光子などの他の粒子とともに、波動粒子の二重性を示します（「量子波動二重性」という用語も使用されます）。生きている場合と死んでいる場合があるのと同じように、電子の状態は粒子状にも波動状にもなりえます。

しかし、この実験の次のステップでは、さらなる謎が生まれました。すべてが知られているかに思われた基礎粒子が、信じられないほどの驚きをもたらしたのです。物理学者たちは、粒子がどのスリットを通過し、どのように波として現れるかを記録するために、穴に観察装置を設置することにしました。しかし、観察機構が設置されるとすぐに、2 つの穴に対応する 2 本の縞模様が壁に現れただけで、干渉縞は現れませんでした。「監視」が解除されるとすぐに、粒子は再び波動特性を示し始め、あたかももう誰も自分を見ていないことを知っているかのようでした。

別の理論

物理学者のボルン氏は、粒子は言葉の文字通りの意味での波にはならないと示唆しました。電子には確率波が「含まれ」ており、干渉パターンを与えるのはこの波です。これらの粒子は、ある程度の確率でどこにでも位置するという重ね合わせの性質があり、そのため同じような「波」を伴うことがあります。

それにもかかわらず、結果は明らかです。観察者の存在そのものが実験の結果に影響を与えます。信じられないことのように思えますが、この種の例はこれだけではありません。物理学者は、物体が最も薄いアルミ箔になった後、物質のより大きな部分についても実験を行いました。科学者たちは、いくつかの測定の単なる事実が物体の温度に影響を与えることに注目しました。彼らはそのような現象の性質をまだ説明できません。

構造

しかし、電子は何で構成されているのでしょうか? 現時点では、現代科学はこの質問に答えることができません。最近まで、それは分割できない基本粒子であると考えられていましたが、現在、科学者はそれがさらに小さな構造で構成されていると信じる傾向にあります。

電子の比電荷も初歩的なものと考えられていましたが、現在では分数電荷を持つクォークが発見されています。電子が何からできているかについてはいくつかの理論があります。

今日、科学者が電子の分割に成功したと主張する記事を目にすることができます。ただし、これは部分的にのみ真実です。

新しい実験

前世紀の 80 年代に遡ると、ソ連の科学者たちは、電子を 3 つの準粒子に分割することが可能であると示唆しました。 1996 年には粒子をスピノンとホロンに分離することが可能になり、最近では物理学者のヴァンデンブリンクと彼のチームが粒子をスピノンと軌道子に分離しました。ただし、分割は特殊な条件下でのみ実現できます。極低温条件下でも実験が可能です。

電子が絶対零度（摂氏約 -275 度）まで「冷却」されると、電子は実質的に停止し、あたかも 1 つの粒子に融合したかのように、電子同士の間に物質のようなものが形成されます。このような状況下で、物理学者は電子を構成する準粒子を観察することに成功しました。

情報媒体

電子の半径は非常に小さく、2.81794 に相当します。 10〜13cmですが、そのコンポーネントのサイズははるかに小さいことがわかります。電子が「分割」された 3 つの部分のそれぞれには、電子に関する情報が含まれています。 Orbiton には、その名前が示すように、粒子の軌道波に関するデータが含まれています。スピノンは電子のスピンを担当し、ホロンは電荷について教えてくれます。このようにして、物理学者は、高度に冷却された物質内の電子のさまざまな状態を個別に観察できます。彼らはホロンとスピノンおよびスピノンと軌道のペアを追跡することはできましたが、トリオ全体を一緒に追跡することはできませんでした。

新しい科学技術

電子を発見した物理学者は、その発見が実用化されるまでに数十年待たなければなりませんでした。現在、技術は数年以内に実用化されています。グラフェンは炭素原子が 1 つの層で構成されている驚くべき素材です。電子分裂はどのように役立つのでしょうか? 科学者たちは、現代の最も強力なコンピューターの数十倍の速度が生み出されると予測しています。

量子コンピューター技術の秘密とは？これは単純な最適化と呼ぶことができます。従来のコンピュータでは、最小の分割不可能な情報はビットです。そして、データが視覚的なものであると考えると、マシンには 2 つの選択肢しかありません。ビットには 0 または 1、つまりバイナリコードの一部を含めることができます。

新しい方法

ここで、ビットに 0 と 1 の両方が含まれていることを想像してみましょう。これが「量子ビット」または「キュビット」です。単純な変数の役割は、電子のスピンによって演じられます (電子は時計回りまたは反時計回りに回転できます)。単純なビットとは異なり、キュビットは複数の機能を同時に実行できるため、電子の質量と電荷が低いことは問題になりません。

これは、迷宮の例を使って説明できます。そこから抜け出すには、さまざまな選択肢を試す必要がありますが、そのうち正しいものは 1 つだけです。従来のコンピューターは問題を迅速に解決できますが、一度に処理できる問題は 1 つだけです。彼は考えられるすべての道を一つずつ通過し、最終的に出口を見つけます。量子コンピューターは、キュビットの二重性のおかげで、多くの問題を同時に解決できます。彼は考えられるすべてのオプションを順番に検討するのではなく、一度に検討し、問題を解決します。これまでのところ唯一の困難は、多くの量子を 1 つのタスクで動作させることです。これが新世代コンピューターの基礎となります。

応用

ほとんどの人は日常レベルでコンピュータを使用しています。従来の PC は依然としてこの点で優れた仕事をしていますが、数千、場合によっては数十万の変数に依存するイベントを予測するには、マシンが単純に巨大でなければなりません。毎月の天気予報、自然災害のデータ処理と予測などを簡単に処理し、多くの変数を使用した複雑な数学的計算を数分の一秒で実行できます。これらはすべて原子数個のプロセッサーで実行されます。したがって、おそらく近いうちに、私たちの最も強力なコンピューターが紙のように薄くなるでしょう。

健康を保つ

量子コンピューター技術は医療に大きく貢献します。人類は、最も強力な可能性を秘めたナノメカニズムを作成する機会を得るでしょう。その助けを借りれば、体全体を内側から見るだけで病気を診断できるだけでなく、外科的介入を行わずに医療を提供することも可能になります。優れたコンピューターの「頭脳」を備えたロボットは、あらゆる操作を実行できるようになるでしょう。

コンピュータゲームの分野における革命は避けられません。問題を即座に解決できる強力なマシンは、信じられないほどリアルなグラフィックスでゲームをプレイできるようになり、完全に没入型のコンピューターの世界がすぐそこまで来ています。

電子は素粒子であり、物質の構造の主要な単位の 1 つです。電子の電荷はマイナスです。最も正確な測定は、20 世紀初頭にミリカンとイオッフェによって行われました。

電子の電荷はマイナス 1.602176487 (40)*10 -1 9 C に等しくなります。

他の最小粒子の電荷は、この値を通じて測定されます。

電子の一般概念

素粒子物理学によれば、電子は分割できず、構造はありません。それは電磁プロセスと重力プロセスに関与しており、その反粒子である陽電子と同様にレプトングループに属します。レプトンの中で最も軽い。電子と陽電子が衝突すると、それらは消滅します。このようなペアは、粒子のガンマ量子から発生する可能性があります。

ニュートリノが測定される前は、電子が最も軽い粒子と考えられていました。量子力学ではフェルミ粒子に分類されます。電子にも磁気モーメントがあります。その中に陽電子も含まれる場合、陽電子はプラスの電荷を持った粒子として分けられ、電子はマイナスの電荷を持った粒子としてネガトロンと呼ばれます。

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選択された電子の性質

電子は粒子と波の性質を持つレプトンの第一世代として分類されます。それらのそれぞれには、エネルギー、スピンの向き、その他のパラメーターを測定することによって決定される量子状態が与えられています。彼がフェルミ粒子に属していることは、同時に同じ量子状態にある 2 つの電子を持つことが不可能であることから明らかになります (パウリの原理による)。

これは、有効質量が静止質量と大きく異なる可能性がある、周期的な結晶ポテンシャル内の準粒子と同じ方法で研究されます。

電子の移動により、電流、磁気、熱起電力が発生します。運動中の電子の電荷は磁場を形成します。しかし、外部磁場により粒子は直線方向から偏向されます。電子は加速されると、光子としてエネルギーを吸収または放出する能力を獲得します。その多数は電子原子殻で構成されており、その数と位置が化学的性質を決定します。

原子質量は主に核陽子と中性子で構成され、電子の質量は総原子量の約 0.06% を占めます。電気クーロン力は、電子を原子核の近くに保持できる主要な力の 1 つです。しかし、原子から分子が生成され、化学結合が生じると、形成された新しい空間に電子が再分配されます。

核子とハドロンは電子の出現に関与します。放射性同位体は電子を放出することができます。研究室では、これらの粒子は特別な機器を使用して研究でき、たとえば望遠鏡はプラズマ雲内の粒子からの放射線を検出できます。

オープニング

電子は、19 世紀にドイツの物理学者が光線の陰極特性を研究していたときに発見しました。その後、他の科学者がそれをより詳細に研究し始め、それを別の粒子のランクにまで引き上げました。放射線およびその他の関連する物理現象が研究されました。

例えば、トムソン率いるチームは電子の電荷と陰極線の質量を推定したが、その関係は物質源に依存しないことがわかった。
そしてベクレルは、鉱物はそれ自体で放射線を放出し、そのベータ線は電場の作用によって偏向され、質量と電荷は陰極線と同じ比率を保つことができることを発見しました。

原子理論

この理論によれば、原子は原子核とその周りに雲状に配置された電子から構成されます。それらは特定の量子化されたエネルギー状態にあり、その変化には光子の吸収または放出のプロセスが伴います。

量子力学

20世紀初頭に、どの物質粒子が粒子自体の性質と波の性質を併せ持つのかという仮説が立てられました。光は、波（ド・ブロイ波と呼ばれます）や粒子（光子）の形で現れることもあります。

その結果、電子波の伝播を説明する有名なシュレーディンガー方程式が定式化されました。このアプローチは量子力学と呼ばれていました。これは、水素原子のエネルギーの電子状態を計算するために使用されました。

電子の基本的および量子的性質

粒子は基本特性と量子特性を示します。

基本的なものには、質量 (9.109 * 10 -31 キログラム)、素電荷 (つまり、電荷の最小部分) が含まれます。これまでに行われた測定によれば、電子にはその下部構造を明らかにできる元素は含まれていません。しかし、一部の科学者は、これは点状の荷電粒子であると考えています。記事の冒頭で述べたように、電荷は -1.602 * 10 -19 C です。

>電子は粒子であると同時に波にもなりえます。 2 つのスリットを使った実験により、両方のスリットを同時に通過する可能性が確認されています。これは、一度に 1 つのスリットのみを通過できる粒子の特性と矛盾します。

電子は同じ物理的性質を持つと考えられます。したがって、量子力学の観点から見ると、それらの再配置はシステムの状態の変化にはつながりません。電子の波動関数は非対称です。したがって、同じ電子が同じ量子状態に陥ると、その解は消滅します (パウリの原理)。

電子。電子の教育と構造。電子の磁気単極子。

（継続）

パート 4. 電子の構造。

4.1. 電子は 2 成分の粒子であり、電界マイナスと磁界 N という 2 つの超高密度 (凝縮、集中) 場のみで構成されます。ここで:

a) 電子密度 - 自然界で可能な最大値。

b) 電子の次元 (D = 10) -17 cm 以下） - 自然界では最小限。

c) エネルギー最小化の要件に従って、電子、陽電子、分数電荷を持つ粒子、陽子、中性子などのすべての粒子は球形でなければなりません。

d) 理由はまだ不明ですが、「親」光子のエネルギー値に関係なく、絶対的にすべての電子（および陽電子）は、そのパラメータにおいてまったく同一に生まれます（たとえば、絶対的にすべての電子と陽電子の質量は 0.511 MeV です）。

4.2. 「電子の磁場はその質量と電荷と同じ不可欠な特性であることが確実に確立されています。 (c) これにより、電子の質量と電荷の等価性、つまり質量について明確な結論を自動的に得ることができます。」電子の電荷は電荷と等価であり、その逆も同様です。電子の電荷は質量と等価です（陽電子についても同様です）。

4.3. この等価性の性質は、クォークの基礎となる分数電荷 (+2/3) および (-1/3) を持つ粒子にも当てはまります。つまり、陽電子、電子、およびすべての分数粒子の質量はそれらの電荷と等価であり、その逆も同様であり、これらの粒子の電荷は質量と等価です。したがって、電子、陽電子、およびすべての分数粒子の比電荷は同じ (定数) で、1.76*10 に等しくなります。 11 Kl/kg。

4.4. 基本エネルギー量子は自動的に基本質量量子となるため、電子の質量（分数粒子 1/3 と 2/3 の存在を考慮して）は、3 つの負の半量子の質量の倍数の値を持つ必要があります。 (「光子。光子の構造。運動の原理。3.4 項も参照。)

4.5. 電子の内部構造を決定することは、多くの理由から非常に困難ですが、少なくとも一次近似的には、電子の内部構造に対する 2 つの成分 (電気的および磁気的) の影響を考慮することは非常に興味深いことです。図を参照してください。 7。

図7。電子の内部構造、オプション:

オプション1。負の半量子ローブの各ペアは「微小電子」を形成し、その後電子を形成します。この場合、「微小電子」の数は3の倍数でなければなりません。

オプション #2。電子は 2 成分粒子であり、電気 (-) と磁気 (N) というドッキングされた 2 つの独立した半球状単極子で構成されます。

オプション #3。電子は、電気と磁気の 2 つの単極子で構成される 2 成分粒子です。この場合、球状の磁気単極子が電子の中心に位置します。

オプション番号 4。その他のオプション。

どうやら、電場（-）と磁場（N）が電子の内部にコンパクトな単極子の形だけでなく、均質な物質の形、つまり実質的に構造のない物質の形でも存在できる場合、オプションを検討できます。 ? 結晶質？同種の？粒子。しかし、これには非常に疑問があります。

4.6. 検討のために提案された各オプションには、次のような独自の長所と短所があります。

a) オプションその 1。この設計の電子は、質量と電荷が 1/3 の倍数である分数粒子を容易に形成することを可能にしますが、同時に電子自身の磁場を説明することを困難にします。

b) オプションその 2。この電子は、原子核の周りを移動するとき、電気単極子によって常に原子核の方向を向いているため、その軸の周りの回転には時計回りか反時計回り（パウリを除く？）などの 2 つのオプションしかありません。

4.7. 示された (または新たに提案された) オプションを検討するときは、電子の実際の特性と特性を考慮するだけでなく、次のような多くの必須要件を考慮することが不可欠です。

— 電界（電荷）の存在。

- 磁場の存在;

— いくつかのパラメータの等価性。たとえば、電子の質量はその電荷と等価であり、その逆も同様です。

— 質量と電荷の倍数が 1/3 の分数粒子を形成する能力。

— 一連の量子数、スピンなどの存在。

4.8. 電子は二成分粒子として現れ、半分（1/2）は高密度の電場マイナス（電気単極子マイナス）、後半（1/2）は高密度の磁場（磁気単極子）です。 -N)。ただし、次のことに留意する必要があります。

- 特定の条件下では、電場と磁場が相互に生成する（相互に変換する）可能性があります。

— 電子は単一成分の粒子であり、100% マイナスの場で構成されることはできません。これは、一価のマイナスの場は反発力によって減衰するためです。そのため、電子の内部には磁性成分が存在するはずです。

4.9. 残念ながら、この研究では、提案されたオプションのすべての長所と短所を完全に分析し、電子の内部構造に対して唯一の正しいオプションを選択することは不可能です。

第5部「電子の波の性質」

5.1. 「1924年末までに。電磁放射が部分的には波のように、部分的には粒子のように振る舞うという観点が一般に受け入れられるようになりました...そしてこのとき、当時大学院生だったフランス人ルイ・ド・ブロイは素晴らしいアイデアを思いつきました。なぜ物質にも同じことが当てはまらないのでしょうか? ルイ・ド・ブロイは、アインシュタインが光波に対して行ったのとは逆の作業を粒子に対して行いました。アインシュタインは電磁波を光の粒子に関連付けました。ド・ブロイは、粒子の動きを波の伝播と結び付け、それを物質の波と呼びました。ド・ブロイの仮説は、光線と物質粒子の挙動を記述する方程式の類似性に基づいており、本質的に純粋に理論的なものでした。それを確認または反駁するには実験的事実が必要でした。」

5.2. 「1927 年、アメリカの物理学者 K. Davisson と K. Germer は、電子がニッケル結晶の表面から「反射」されると、特定の反射角度で最大値が現れることを発見しました。同様のデータ (極大値の出現) は、結晶構造上の X 線波の回折の観察からすでに得られていました。したがって、反射電子ビームにおけるこれらの最大値の出現は、波とその回折に関する考えに基づく以外には説明できません。したがって、粒子 - 電子 (およびド・ブロイの仮説) の波動特性は実験によって証明されました」(c)。

5.3. しかし、この研究で概説されている光子の粒子特性の出現のプロセスを考慮すると (図 5 を参照)、まったく明確な結論を導き出すことができます。

a) 波長が 10 から減少するにつれて -4 10まで - 10 (C)(C)(C)(C)(C)cm 光子の電場と磁場が圧縮される

(C)(C)(C)(C)(C)(C)(C)(C)(C)(C)b) 「分割線」における電場と磁場の圧縮により、急速に場の「密度」の増加が始まり、すでに X 線の範囲内では、場の密度は「通常の」粒子の密度に匹敵します。

c) したがって、X 線光子は、障害物と相互作用すると、波として障害物から反射されなくなり、粒子として反射し始めます。

5.4. あれは：

a) すでに軟 X 線領域では、光子の電磁場が非常に高密度になっているため、その波動特性を検出することが非常に困難です。引用: 「光子の波長が短ければ短いほど、波の特性を検出するのが難しくなり、粒子の特性がより顕著になります。」

b) 硬 X 線およびガンマ領域では、光子は 100% 粒子のように動作し、その中の波動特性を検出することはほとんど不可能です。つまり、X 線とガンマ光子は波の性質を完全に失い、100% 粒子になります。引用: 「X 線およびガンマ領域の量子のエネルギーは非常に高いため、放射線はほぼ完全に粒子の流れのように動作します。」(c)。

c) したがって、結晶の表面からの X 線光子の散乱に関する実験では、それはもはや波ではなく、結晶の表面で跳ね返り、結晶格子の構造を繰り返す通常の粒子でした。

5.5. K. Davisson と K. Germer の実験の前に、結晶構造における X 線波の回折の観察に関する実験データがすでに存在していました。したがって、ニッケル結晶上の電子の散乱実験でも同様の結果が得られたため、彼らは自動的に波動特性が電子に起因すると考えました。ただし、電子は実際の静止質量や寸法などを持つ「固体」粒子です。光子波のように振る舞うのは電子粒子ではありませんが、X 線光子はすべての特性を備えています (そして示します)。粒子の。電子が障害物から光子として反射されるのではなく、X 線光子が粒子として障害物から反射されます。

5.6. したがって、電子 (および他の粒子) は、いかなる「波動特性」も持たなかったし、持たず、また持つことはできません。そして、この状況を変えるための前提条件はなく、ましてや機会はありません。

パート 6. 結論。

6.1. 電子と陽電子は最初の基本粒子であり、その存在によってクォーク、陽子、水素、および周期表の他のすべての元素の出現が決定されました。

6.2. 歴史的に、一方の粒子は電子と呼ばれ、マイナス記号（物質）が与えられ、もう一方の粒子は陽電子と呼ばれ、プラス記号（反物質）が与えられました。「彼らは、帯電した琥珀の電荷をマイナスと呼ぶという以前の合意に従って、マイナスの電子の電荷を考慮することに同意した」(c)。

6.3. 電子は陽電子と対（電子陽電子対）でのみ現れる（現れる＝生まれる）ことができます。少なくとも 1 つの「不対」（単一）電子または陽電子が自然界に出現することは、物質の一般的な電気的中性である電荷保存則に違反するものであり、技術的に不可能です。

6.4. 荷電粒子のクーロン場における電子陽電子対の形成は、光子素量子を縦方向に 2 つの構成部分に分割した後に発生します。負の部分からマイナス粒子 (電子) が形成され、正の部分からマイナス粒子 (電子) が形成されます。プラス粒子（陽電子）が生成されます。電気的に中性の光子が長手方向に、質量が完全に等しいが電荷（および磁場）が異なる 2 つの部分に分割されることは、電荷保存則などから生じる光子の自然な性質です。微量の「プラス粒子」の電子も除外され、陽電子の「内部」である「マイナス粒子」も除外されます。電子および陽子の内部にある母光子の電気的に中性の「粒子」（スクラップ、破片、破片など）の存在も除外されます。

6.5. 理由は不明ですが、絶対的にすべての電子と陽電子は、標準的な「最大-最小」粒子として生まれます（つまり、質量、電荷、寸法、その他の特性において、これより大きくなることも、これより小さくなることもできません）。電磁光子からの大小のプラス粒子 (陽電子) およびマイナス粒子 (電子) の形成は除外されます。

6.6. 電子の内部構造は、その出現順序によって一意に決定されます。電子は 2 成分の粒子として形成され、その 50% は高密度の電場マイナス (電気単極子マイナス)、50% は高密度の磁場です。フィールド (磁性単極子 N)。これら 2 つの単極子は、相互に引力 (付着) の力が生じる、異なる荷電粒子とみなすことができます。

6.7. 磁気単極子は存在しますが、自由な形ではなく、電子と陽電子の成分としてのみ存在します。この場合、磁気単極子 (N) は電子の一部であり、磁気単極子 (S) は陽電子の一部です。電子の「内部」に磁性成分が存在することが必須である。なぜなら、磁性単極子（N）だけが、一価の電気単極子マイナスと非常に強力な（そして前例のない強さの）結合を形成できるからである。

6.8. 電子と陽電子は最も安定性が高く、理論的にも現実的にも崩壊が不可能な粒子です。それらは（電荷と質量の点で）分割できません。つまり、電子または陽電子がいくつかの校正された部分または「異なるサイズの」部分に自発的（または強制的に）分割されることは除外されます。

6.9. 電子は永遠であり、大きさは等しいが符号が反対の電荷と磁気電荷を持つ別の粒子（陽電子）に遭遇するまで「消える」ことはできません。

6.10. 電磁波から現れることができる標準 (校正された) 粒子は電子と陽電子の 2 つだけであるため、それらに基づいて現れることができるのは標準クォーク、陽子、中性子だけです。したがって、私たちの宇宙と他のすべての宇宙のすべての目に見える（バリオンの）物質は、同じ化学元素（周期表）で構成されており、同じ物理定数と「私たちの」法則と同様の基本法則がどこにでも適用されます。無限空間の任意の点における「他の」素粒子および「他の」化学元素の出現は除外されます。

6.11。私たちの宇宙のすべての目に見える物質は、唯一可能なスキームに従って光子（おそらくマイクロ波領域から）から形成されました：光子→電子陽電子対→分数粒子→クォーク、グルーオン→陽子（水素）。したがって、私たちの宇宙（ホモ・サピエンスを含む）のすべての「固体」物質は、光子の電場と磁場が凝縮されたものです。宇宙にはそれを形成するための他の「物質」は存在しませんでした。存在しませんし、存在することはできません。

追伸電子は無尽蔵ですか？

プロパティ

電子の電荷は割り切れず、-1.602176565(35)・10-19 C (または SGSE システムの SGSE 電荷の -4.80320427(13)・10-10 単位、または -1.602176565(35)・10-20 単位。SGSM) に等しい。 SGSM システム内); それは最初に実験で直接測定されました（英語) A.F. Ioffe (1911) および R. Millikan (1912)。この量は、他の素粒子の電荷の測定単位として機能します (電子の電荷とは異なり、素電荷は通常、正の符号で表されます)。電子の質量は 9.10938291(40)・10−31 kg です。

kgは電子の質量です。

Cl - 電子の電荷。

C/kg は電子の比電荷です。

電子スピンの単位

素粒子物理学の現代の概念によれば、電子は分割できず、構造もありません（少なくとも距離が 10−17 cm まで）。電子は、弱い電磁相互作用と重力相互作用に関与します。それはレプトンのグループに属し、（その反粒子である陽電子とともに）荷電レプトンの中で最も軽いです。ニュートリノの質量が発見される前は、電子は大質量粒子の中で最も軽いと考えられていました。その質量は陽子の質量の約 1836 分の 1 です。電子のスピンは 1/2 なので、電子はフェルミ粒子です。スピンを持つ他の荷電粒子と同様に、電子には磁気モーメントがあり、磁気モーメントは正常部分と異常磁気モーメントに分けられます。場合によっては、電子自体と陽電子の両方が電子とみなされることがあります (たとえば、電子陽電子場を一般的な電子陽電子場、ディラック方程式の解とみなします)。この場合、マイナスに帯電した電子をネガトロン、プラスに帯電した電子をポジトロンと呼びます。 [ ソースが指定されていない 120 日]

結晶の周期的ポテンシャル内にある電子は準粒子とみなされ、その有効質量は電子の質量と大きく異なる可能性があります。

自由電子は光子を散乱させることはできますが、光子を吸収することはできません (コンプトン効果を参照)。

語源と発見の歴史

「電子」という名前は、「琥珀」を意味するギリシャ語のἤλεκτρονに由来しています。古代ギリシャでも、博物学者は実験を行っていました。琥珀の破片を羊毛でこすると、小さな物体を引き寄せ始めました。電気化学における基本的な不可分な電荷単位の名前としての「電子」という用語は、J. J. Stoney によって提案されました ( 英語）1894年に（ユニット自体は1874年に彼によって導入されました）。粒子としての電子の発見は E. Wichert と J. J. Thomson によるもので、彼らは 1897 年に陰極線の電荷対質量比が線源物質に依存しないことを確立しました。 (電子の発見を参照)

波の性質の発見。ド・ブロイの仮説 (1924 年) によると、電子 (他のすべての物質的な微小物体と同様) は粒子の性質だけでなく、波の性質も持っています。非相対論的電子のドブロイ波長はに等しく、ここでは電子の速度です。したがって、電子は光と同様に干渉や回折を受ける可能性があります。電子の波動特性は、1927 年にアメリカの物理学者 K. デイヴィッソンと L. ジャーマーによって実験的に発見され (デイヴィッソン-ジャーマー実験)、独立して英国の物理学者 J. P. トムソンによって発見されました。

使用法

ほとんどの低エネルギー電子源は、熱電子放出と光電子放出の現象を利用します。数keVから数MeVの範囲のエネルギーを持つ高エネルギー電子は、ベータ崩壊と放射性核の内部変換の過程で放出されます。ベータ崩壊で放出される電子は、ベータ粒子またはベータ線と呼ばれることもあります。加速器は、より高エネルギーの電子の供給源として機能します。

金属や半導体内の電子の動きにより、エネルギーの伝達と制御が容易になります。これは現代文明の基礎の 1 つであり、産業、通信、コンピューターサイエンス、エレクトロニクス、そして日常生活のほぼあらゆる場所で使用されています。導体中の電子のドリフト速度は非常に遅い (~0.1 ～ 1 mm/s) が、電場は光の速度で伝播します。この点において、回路全体の電流はほぼ瞬時に確立されます。

たとえば線形加速器で高エネルギーに加速された電子ビームは、原子核の構造や素粒子の性質を研究する主な手段の 1 つです。電子線のより平凡な応用例としては、ブラウン管 (キネスコープ) を備えたテレビやモニターがあります。電子顕微鏡は、電子光学の法則に従う電子ビームの能力も利用します。トランジスタが発明される前は、ほぼすべての無線工学とエレクトロニクスは真空真空管に基づいており、電場 (場合によっては磁場) による真空中の電子の動きの制御を使用していました。電気真空装置 (EVD) は、現代においても限られた範囲で使用され続けています。最も一般的な用途は、電子レンジ発電機のマグネトロンと、テレビやモニターの前述の陰極線管 (CRT) です。

準粒子としての電子

電子が周期的なポテンシャルにある場合、その運動は準粒子の運動と見なされます。その状態は擬似波動ベクトルによって記述されます。二次分散則の場合の主な動的特性は有効質量であり、これは自由電子の質量とは大きく異なる場合があり、一般的な場合はテンソルです。

電子と宇宙

宇宙の核子 100 個のうち、87 個が陽子、13 個が中性子であることが知られています (後者は主にヘリウム原子核に含まれます)。物質の全体的な中性を確保するには、陽子と電子の数が等しくなければなりません。主に核子からなるバリオン質量の密度（光学的方法で観察）はよく知られています（0.4立方メートルあたり核子1個）。観測可能な宇宙の半径 (137 億光年) を考慮すると、この体積内の電子の数は約 10 80 であると計算できます。これは、大きなディラック数に匹敵します。

こちらも参照

一電子宇宙理論
電気
エレクトロニクス
光電子増倍管
電灯

導入………………………………………………………………………………………
主要部分………………………………………………………………
	電子の定義、その発見…………………………………………
	電子の性質…………………………………………………………
	電子砲弾の構造…………………………………………
	結論………………………………………………………………。
結論……………………………………………………………………
参考文献…………………………………………………………..
アプリケーション
付録 1………………………………………………………………。

導入

原子、電子、電子殻とは何かということについて、私たちは中学 2 年生のときに初めて学びました。これらは基本であり、後に最も複雑なマテリアルであることが判明したものの最も単純な説明でした。中学2年生の私にとっては、最も簡単な説明で十分でした。しかし、つい最近、2、3 か月前、私は原子が実際にどのように機能するのか、電子がどのように動くのか、完全に理解された「電子軌道」とは何なのか、疑問に思い始めました。最初は自分で考えてみましたが、私の意見では、そこからは「賢い」ものは何も生まれませんでした。それから私は、ミクロの世界を完全に理解し、興味のある質問に答えるために、追加の文献を研究し始めました。読んだ文章の新しい行ごとに、何か新しいことが私に明らかになりました。次に、私が勉強できたことと部分的なものを発表しようとしました（なぜなら、このような高度な知識は大学で与えられ、世界中の多くの科学者によって研究されており、小学生がそのような内容を理解するのは非常に難しいからです）完全な意味で）この間。

主要部分

1. 電子の定義とその発見。

電子 – 安定、マイナスに帯電 素粒子 、物質の基本的な構造単位の 1 つ。

は フェルミオン (つまり、 半分全体 スピン ）。を指します レプトン (荷電レプトンの中で唯一安定な粒子)。電子でできている 原子の電子殻 、その数と位置がほぼすべてを決定します。 化学的特性 物質。自由電子の移動は、導体や真空に電流などの現象を引き起こします。

開業日電子 1897年と考えられていますが、 トムソン 陰極線を研究するために実験が行われました。個々の電子の軌跡の最初の画像が取得されました チャールズ・ウィルソン の助けを借りて 霧室。

2. 電子の性質。

A. 粒子の質量と電荷。

電子の電荷は不可分で、-1.(35)・10-19 C に等しくなります。これは、A.F. Ioffe (1911) と R. Millikan (1912) による実験で初めて直接測定されました。この量は、他の素粒子の電荷の測定単位として機能します (電子の電荷とは異なり、素電荷は通常、正の符号で表されます)。電子の質量は 9.(40)・10−31 kg です。

B. 力学と電気力学の古典的な法則によって電子を記述することは不可能です。

長い間、原子の実際の構造についての知識はありませんでした。 19世紀末から20世紀初頭にかけて。 V. 原子はより単純な（素）粒子からなる複雑な粒子であることが証明されました。 1911年、実験データに基づいて、イギリスの物理学者は、 E.ラザフォードは、比較的小さな体積にほぼ全質量が集中する原子の核モデルを提案しました。陽子と中性子からなる原子核は正の電荷を持っています。それはマイナスの電荷を持った電子に囲まれています。

次の理由から、古典力学と電気力学の観点から原子内の電子の動きを記述することは不可能です。

· 電子 (固体として) が原子核の周りの閉じた円軌道を V~ m/s で運動すると主張する場合 (つまり、古典力学の立場から考えて)、電子は向心力の影響下にあるはずです。可能な限り短い時間（〜秒）で原子核に落下し、電子が原子間で相互作用するため、原子そのものが存在しなくなり、分子も存在しなくなります。

・電子を荷電体と考えると（電気力学の立場から考えると）、電子は必ず正に帯電した原子核に引き寄せられ、また移動時には電磁場を放出してエネルギーを失うことになる。古典力学の立場から考察した場合と同様の状況が生じます。

ニールス・ボーアは次のように書いています。

「ラザフォード型モデルに基づいて原子の性質を説明するには古典的な電気力学が不十分であることは、非常に小さなサイズの正に帯電した原子核とその周りを閉じた軌道を運動する電子からなる最も単純な系を考えると明らかに明らかです。核。話を簡単にするために、電子の質量は原子核の質量に比べて無視でき、電子の速度は光の速度に比べて小さいと仮定します。

まず、エネルギーの放出がないと仮定しましょう。この場合、電子は静止した楕円軌道を移動します... ここで、エネルギー放射の影響を考えてみましょう。通常、エネルギー放射は電子の加速度によって測定されます。この場合、電子は静止軌道を移動できなくなります。エネルギー W は継続的に減少し、電子は原子核に近づき、周波数はますます増加し、ますます小さな軌道を描きます。電子は平均して運動エネルギーを獲得しますが、システム全体としてはエネルギーを失います。このプロセスは、軌道のサイズが電子または原子核のサイズと同じオーダーになるまで続きます。簡単な計算によれば、このプロセス中に放出されるエネルギーは、通常の分子プロセス中に放出されるエネルギーよりも計り知れないほど大きいことがわかります。明らかに、そのようなシステムの動作は、自然界の原子システムに実際に起こることとはまったく異なります。まず、実際の原子は長い間、特定のサイズと周波数を持っています。さらに、何らかの分子プロセスを考慮すると、放出された系に特徴的な一定量のエネルギーを放出した後、この系は常に再び安定した平衡状態に戻るようです。その状態では、粒子間の距離はプロセス前と同じ桁です。」

B. ボーアの仮説。

策定された基本的な前提条件 ニールス・ボーア V 1913年 パターンを説明するために 水素原子の線スペクトル 水素のようなイオンだけでなく、量子放出と吸収の性質 スヴェタ。 ボーアの出身地 惑星原子模型 ラザフォード。

· 原子それぞれが特定のエネルギーを持つ特別な静止状態、または量子状態にのみ存在することができます。静止状態では、原子は電磁波を放射しません。

· 原子内の電子 、エネルギーを失うことなく、特定の離散円軌道に沿って移動します。 角運動量は量子化される 。軌道上の電子の存在がこれらのエネルギーを決定します。 静止状態。

電子が軌道（エネルギー準位）から軌道に移動するとき、放出または吸収されます。 エネルギー量子 hν = En − Em , どこ えん; エム – エネルギーレベル 、その間で遷移が発生します。上のレベルから下のレベルに移動するとエネルギーが放出され、下のレベルから上のレベルに移動するとエネルギーが吸収されます。

a) 「定常状態にある系の動的平衡は通常の力学を使用して考えることができますが、ある定常状態から別の定常状態への系の遷移はこれに基づいて解釈できません。

b) 示された遷移は単色放射線の放出を伴い、その周波数と放出されるエネルギー量の関係はプランクの理論によって与えられるものとまったく同じです...」

ボーアが原子構造の理論を組み立てることを許可したり、 ボーアの原子モデル。

これは、ラザフォードの原子構造理論に基づいた、原子の半古典的なモデルです。上記の仮定と古典力学の法則、つまり原子核の側からの電子の引力と回転する電子に作用する遠心力の等しいことを使用して、ボーアは静止した電子の半径について次の値を得ました。軌道とその軌道にある電子のエネルギー：

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.!}

これはまさに、を使用して得られるエネルギーの表現です。 シュレーディンガー方程式 、中央クーロン場における電子の運動の問題を解決します。

水素原子の最初の軌道の半径 R0=5.(36)・10−11 m、現在はこう呼ばれています ボーア半径 、または 長さの原子単位 そして現代物理学で広く使用されています。最初の軌道のエネルギー eV は、 イオン化エネルギー 水素原子。

注: このモデルは、電子の運動のみを説明するためのいくつかの仮定を備えた電気力学の法則の大まかな適用です。 水素原子の中で。多数の電子を含むより複雑な系では、この理論は受け入れられません。これは、より一般的な量子法則の結果です。

G. 波動粒子の二重性。

古典力学では、次の 2 種類の運動が考慮されます。 体の動き 特定の時点での軌道の各点における移動オブジェクトの位置特定と、 波の動き 、環境空間内で非局在化されます。微小な物体では、そのような動きの区別は不可能です。この動きの特徴は、波動と粒子の二重性と呼ばれます。

波動粒子の二重性 – 質量、サイズ、電荷を備えた微粒子が、回折能力など、波に特有の特性を同時に示す能力。粒子のどのような特性が研究されるかに応じて、粒子は 1 つまたは別の特性を示します。

波動と粒子の二重性のアイデアの作者は A.アインシュタイン 、電磁放射の量子、つまり光子を、光の速度で移動し、静止質量がゼロの粒子として考えることを提案しました。彼らのエネルギーは等しい E = マック 2 = hν = HC / λ ,

どこメートル- 光子質量、と- 真空中の光の速度、 h- プランク定数、ν - 放射周波数、λ - 波長。

1924年にフランスの物理学者が ルイ・ド・ブロイ 彼は、光子の伝播の波の性質は普遍的であるという考えを提唱しました。運動量のあるパーティクルに対して表示されるはずです。有限の運動量を持つすべての粒子は波動特性を持ち、特に次の影響を受けます。干渉そして回折 .

式 ド・ブロイ 物質の移動粒子に関連する波長の粒子の運動量への依存性を確立します。

ここで、は粒子の質量、はその速度、 - プランク定数 。問題の波はド・ブロイ波と呼ばれます。式 ド・ブロイ は、結晶上での電子や他の粒子の散乱、および物質中を粒子が通過する実験によって実験的に確認されています。このようなすべての実験における波動過程の兆候は、粒子受信器内の電子 (または他の粒子) の分布の回折パターンです。

ド・ブロイの波 古典物理学で研究される波間には類似性のない特定の性質があります。特定の点におけるドブロイ波振幅の二乗係数は、その点で粒子が検出される確率の尺度です。実験で観察される回折パターンは統計的パターンの現れであり、これに応じて粒子が受信機内の特定の場所、つまりドブロイ波の強度が最大になる場所に落ちます。統計的解釈によれば、「確率波」の振幅の二乗係数が消える場所では粒子は検出されません。

この理論は量子力学の発展の始まりとなりました。現時点では、波動粒子双対性の概念は、古典物理学からの類推を選択し、量子物体の挙動を説明する解釈、方法としてのみ機能するため、歴史的に興味深いだけです。実際、量子物体は古典波でも古典粒子でもなく、ある近似に対してのみ 1 番目または 2 番目の特性を獲得します。

D. ハイゼンベルクの不確定性原理。

1927年にドイツの理論物理学者がで。 ハイゼンベルク は、空間内の微粒子の位置とその運動量を同時に正確に決定することは基本的に不可能であるという不確実性の原理を定式化しました。

Δ ピクセル · Δ バツ ≥ h/ 2π、

ここで、Δ ピクセル = メートル Δ vx x - 座標に沿った微小物体のインパルスの不確実性 (決定の誤差) バツ; Δ バツ- この座標に沿った微小物の位置の不確実性 (決定の誤差)。

したがって、速度がより正確に決定されるほど、粒子の位置について不明な点が少なくなり、その逆も同様です。

したがって、微粒子 (この場合は電子) の場合、運動軌跡の概念は粒子の特定の座標と運動量に関連付けられるため、受け入れられなくなります。私たちは、宇宙の一部の領域でそれが検出される確率についてのみ話すことができます。

ボーアによって導入された電子の「運動軌道」から概念への移行があった軌道 – 電子が存在する確率が最大となる空間領域。

3. 電子砲弾の構造。

原子の電子殻 – 主量子数の同じ値によって特徴付けられる電子の推定位置の空間領域 nその結果、近いエネルギーレベルに位置します。各電子殻内の電子の数は、特定の最大値を超えません。

原子の電子殻 – それはコレクションです 原子軌道 主量子数 n の値は同じです。

ある) 原子軌道の概念。

原子軌道 – それは単一電子です 波動関数 原理によって与えられる原子核の球対称電場内で n、軌道私そして磁気 メートル量子数。

1) 波動関数 - 量子力学システムの状態を記述する複雑な関数。 (水素原子は最も単純な量子系として受け入れられています。波動関数に関連するすべての計算はこれに基づいて行われます。)

最も重要なことは、波動関数の物理的意味です。これは次の内容で構成されます。

« 確率密度 特定の瞬間における空間内の特定の点における粒子の位置は、次と等しいとみなされます。四角 絶対値この状態の波動関数を座標で表現したものです。」

粒子系 A の波動関数には、すべての粒子の座標 ψ(1,2,...,A, t) が含まれます。

ハイゼンベルグの不確定性原理により、波動関数の計算精度にある程度の制限が課せられます。

波動関数の値は、いわゆる次の式を解くことによって求められます。 シュレーディンガー方程式。

2) シュレーディンガー方程式 - 空間と時間の変化を記述する方程式 純粋な（量子）状態 、与えられた 波動関数。

1926年にドイツの物理学者によって提案されました。 E. シュレディンガー 水素原子内の電子の状態を説明します。

3) 波動関数の物理的意味により、次のような原子軌道の幾何学的意味を理解することができます。

「原子軌道は、等しい密度の表面によって境界付けられた空間領域です。確率または充電。境界面上の確率密度は、解決する問題に基づいて選択されますが、通常は、限られた領域で電子が見つかる確率が 0.9 ～ 0.99 インチの値の範囲内になるように選択されます。

4) 量子数 – これらは、軌道の形状、電子のエネルギー、角運動量を決定する数値です。

主量子数 n 1 から始まる任意の正の整数値を取ることができます ( n= 1,2,3, … ∞)、特定の軌道内の電子の総エネルギー (エネルギーレベル) を決定します。

エネルギー n= ∞が相当する 単一電子イオン化エネルギー 特定のエネルギーレベルに対して。

· 軌道量子数 (方位角または相補量子数とも呼ばれる) によって決まります。 角運動量 電子であり、0 から 0 までの整数値を取ることができます。 n - 1 (私 = 0,1, …, n - 1). 勢いこの場合、次の関係によって与えられます。

原子軌道は通常、その軌道番号の文字指定によって名前が付けられます。

原子軌道の文字指定は、原子スペクトルのスペクトル線の説明に基づいています。 s (シャープ) - 原子スペクトルのシャープな系列、 p (主要）- 家、 d (拡散する) - 拡散、 f (基本的） - 基本的。

· 磁気量子数 ミリリットル

閉じた軌道内で電子が移動すると、磁場の出現が生じます。電子の状態は、（軌道に沿った運動の結果として）電子の軌道磁気モーメントによって決定され、第 3 量子数によって特徴付けられます。 磁気ml。この量子数は空間における軌道の方向を特徴づけ、磁場の方向への軌道角運動量の投影を表します。

外部磁場強度ベクトルの方向に対する軌道の向きに応じて、磁気量子数は、0 を含む、正と負の両方の –1 から +1 までの任意の整数の値を取ることができます。、合計 (2l + 1) 個の値。たとえば、l = 0 の場合、 ミリリットル= - 1, 0, +1.

したがって、 ミリリットル選択した方向への軌道角運動量ベクトルの投影の大きさを特徴付けます。たとえば、磁場中の p 軌道は、空間内の 3 つの異なる位置に向けることができます。 [ 9. 55]

5) 貝殻。

電子砲弾は文字で指定されます K、L、M、N、O、P、Qまたは 1 ～ 7 の数字。シェルのサブレベルは文字で示されます。 s、p、d、f、g、h、iまたは 0 から 6 までの数字。外殻の電子はより高いエネルギーを持ち、内殻の電子と比較して原子核から遠くに位置するため、化学反応や原子の挙動を分析する際に電子はより重要になります。コアとの接続が弱く、破損しやすいため、導体としては機能しません。

6) サブレベル。

各シェルは 1 つ以上のサブレベルで構成され、各サブレベルは原子軌道で構成されます。たとえば、最初のシェル (K) は 1 つのサブレイヤー「1s」で構成されます。 2 番目のシェル (L) は、2s と 2p の 2 つのサブレベルで構成されます。 3番目のシェルは「3s」、「3p」、「3d」で構成されます。

電子殻の構造を完全に説明するには、次の 3 つの非常に重要な点を強調する必要があります。

1) パウリの原理。

1925 年にスイスの物理学者 W. パウリによって定式化されました。次のとおりです。

原子は同じ性質を持つ 2 つの電子を持つことはできません。

実際、この原則はより基本的なものです。それはすべてのフェルミオンに当てはまります。

2) 最小エネルギーの原理。

原子内では、各電子はそのエネルギーが最小になるように配置されています（これは原子核との最大の結合に相当します）。

基底状態の電子のエネルギーは主量子数 n と副量子数 l によって決まるため、量子数 n と l の値の合計が最も小さいサブ準位が最初に満たされます。

これに基づいて 1961年に初めて、次のような一般的見解を策定した。

電子が基底状態で最小値を持たない準位を占めるn、および合計の最小値n+ 私.

3) フントの法則。

この値では私（つまり、特定のサブレベル内で）電子は、総スピンが最大になるように配置されます。

たとえば、3 つの電子を窒素原子の 3 つの p セルに分散する必要がある場合、それらはそれぞれ別のセルに配置されます。つまり、3 つの異なる p 軌道に配置されます。

結論:

1) 電子の運動と特性は、力学と電気力学の古典的な法則では説明できません。電子は量子物理学の枠組み内でのみ記述できます。

2) 電子には明確な回転軌道がありません。原子核の周りには電子の「雲」があり、電子はいつでも空間の任意の点に存在します。

3) 電子は粒子と波の性質を持っています。

4) 電子の特性を記述するにはさまざまな物理的および数学的方法があります。

5) それぞれが 2 個以下の電子で構成される原子軌道は原子の電子殻を構成し、その電子は分子内の原子間結合の形成に関与します。

結論。

学校では、初期の段階では、原子や電子の構造についての本当の理解が十分に示されていません。その構造をよりよく理解するには、追加の文献を研究する必要があります。そして、このトピックに興味がある人なら誰でも、知識を深め、微粒子の知識に貢献するあらゆる機会があります。

物理法則の初期知識だけでは、ミクロ世界の物体、この場合は電子を完全に説明するには十分ではありません。

宇宙の基礎、ミクロ世界の基本概念を理解していなければ、私たちの周りのマクロ世界や巨大世界を理解することは不可能です。

参考文献

1. ウィキペディア。記事「原子軌道」。

2. ウィキペディア。「波動関数」。

3. ウィキペディア。記事「電子の発見」。

4. ウィキペディア。記事「ボーアの公準」。

5. ウィキペディア。「シュレーディンガーの方程式」。

6. ウィキペディア。記事「電子」。

7. 、。物理学リーダー: 学生向け教科書」p. 168: N. ボーアの論文「原子と分子の構造について」より。パート 1。「正の原子核による電子の結合」。

8. MITHT部門。物質の構造の基礎。

9. , . 化学の始まり。

付録 1

1. サー・ジョセフ・ジョン・トムソン（1856年12月18日 - 1940年8月30日） - 電子を発見した英国の物理学者、1906年のノーベル物理学賞受賞者。彼の作品のほとんどは電気現象に特化しており、最近では特にガス中の電気の通過と X 線とベクレルの研究に特化しています。

2. チャールズ・トムソンリース・ウィルソン（1869年2月14日、グレンコース - 1959年11月15日、エディンバラ郊外カーロプス） - スコットランドの物理学者、彼の名にちなんで名付けられた霧箱の開発で、これは「帯電粒子の軌道を視覚的に検出する方法を提供した」水蒸気凝縮」で、ウィルソンは 1927 年に (アーサーコンプトンと共同で) ノーベル物理学賞を受賞しました。

3. アーネスト・ラザフォード（1871年8月30日、スプリンググローブ - 1937年10月19日、ケンブリッジ） - ニュージーランド出身のイギリスの物理学者。彼は原子物理学の「父」として知られ、原子の惑星模型を作成しました。 1908年にノーベル化学賞を受賞。

4. ニールス・ヘンリック・ダヴィッド・ボーア（1885年10月7日、コペンハーゲン - 1962年11月18日、コペンハーゲン） - デンマークの理論物理学者および著名人、現代物理学の創始者の一人。ノーベル物理学賞受賞者（1922年）。彼は世界中の 20 以上の科学アカデミーの会員であり、その中にはソ連科学アカデミーの外国名誉会員 (1929 年、1924 年から正会員) も含まれていました。

ボーアは、原子に関する最初の量子理論の創始者として知られ、量子力学の基礎の開発に積極的に参加しました。彼はまた、原子核と核反応、つまり素粒子と環境の相互作用のプロセスの理論の発展にも多大な貢献をしました。

5. アルバート・アインシュタイン 1879年3月14日、ドイツ、ヴュルテンベルク州ウルム - 1955年4月18日、米国ニュージャージー州プリンストン） - 理論物理学者、現代理論物理学の創始者の一人、1921年のノーベル物理学賞受賞者、公人、人文主義者。ドイツ（1879～1893年、1914～1933年）、スイス（1893～1914年）、米国（1933～1955年）に在住。世界の約20の主要大学の名誉博士であり、ソ連科学アカデミーの外国名誉会員（1926年）を含む多くの科学アカデミーの会員。多くの本や記事の著者。最も重要な物理理論の著者：一般相対性理論、光電効果の量子理論など。

6. 第7代ブロイ公爵レイモンド、としてよく知られています ルイ・ド・ブロイ（1892年8月15日、ディエップ - 1987年3月19日、ルーブシエンヌ） - フランスの理論物理学者、量子力学の創始者の一人、1929年のノーベル物理学賞受賞者、フランス科学アカデミー会員（1933年以降）およびその常任理事秘書（1942年以降）、フランスアカデミー会員（1944年以降）。

ルイ・ド・ブロイは、量子論の基本的な問題に関する著作の著者です。彼は物質粒子の波動特性 (ド・ブロイ波または物質波) に関する仮説を立て、これが波動力学の発展の基礎を築きました。彼は量子力学の独自の解釈を提案し、任意のスピンを持つ粒子、特に光子の相対論的理論（光のニュートリノ理論）を開発し、放射線物理学、古典的および量子場の理論、熱力学、および物理学の他の分野の問題を扱いました。

7. ヴェルナー・カール・ハイゼンベルク（ドイツ語: 1901年12月5日、ヴュルツブルク - 1976年2月1日、ミュンヘン） - ドイツの理論物理学者、量子力学の創始者の一人。ノーベル物理学賞受賞者（1932年）。世界中の多くの学会や科学協会の会員。

8. エルヴィン・ルドルフ・ヨーゼフ・アレクサンダー・シュレディンガー（1887年8月12日、ウィーン - 1961年1月4日、同上） - オーストリアの理論物理学者、量子力学の創始者の一人。ノーベル物理学賞受賞者（1933年）。ソ連科学アカデミーの外国人会員 (1934 年) を含む、世界中の多くの科学アカデミーの会員。

シュレーディンガーは、波動力学の基礎を形成した量子論の分野で多くの基本的な成果を所有しています。彼は波動方程式 (定常および時間依存のシュレーディンガー方程式) を定式化し、波力学的摂動理論を開発し、いくつかの解を取得しました。具体的な問題について。シュレーディンガーは、波動関数の物理的意味の独自の解釈を提案しました。彼は、統計力学、熱力学、誘電物理学、色彩理論、電気力学、一般相対性理論、宇宙論など、物理学のさまざまな分野における多数の論文の著者です。彼は統一場の理論を構築するためにいくつかの試みを行いました。

フェルミオン- 現代科学の概念によると、物質を構成する素粒子。フェルミ粒子には、クォーク、電子、ミューオン、タウレプトン、ニュートリノが含まれます。物理学において、半整数のスピン値を持つ粒子 (または準粒子)。物理学者エンリコ・フェルミに敬意を表してその名前が付けられました。

レプトン- フェルミオン、つまりスピンが 1/2 です。レプトンは、クォークとともに、物質を構成する粒子であり、知られている限り内部構造を持たない基本的なフェルミ粒子のクラスを構成します。

水素の線スペクトル（または 水素のスペクトル系列) –電子が上にある定常準位のいずれかから、下にある 1 つの準位 (特定の系列の主準位) に遷移するときに得られる一連のスペクトル線。

勢い −特定の物体の質量がどれだけ回転しているか、回転軸に対して質量がどのように分布しているか、および回転が発生する速度によって決まる量。

定常状態量子系の状態を特徴づけるエネルギーやその他の動的量が変化しない量子系の状態。

量子状態- 量子システムがとり得るあらゆる可能な状態。

波力学では波動関数で記述されます。

それは二面性を持っています。原子核の場で継続的に運動している電子は、波と粒子の性質を同時に示します。電子の動きは法則に従います。
電子の波動特性と粒子特性の間の関係は、ドブロイの関係式に反映されます。
λ =h/mv,

メートル

電子のエネルギーと座標は、他の素粒子と同様に、同じ精度で同時に測定することはできません (ハイゼンベルク)。したがって、原子または分子内の電子の動きは、軌道を使用して説明することはできません。電子は空間内のどの点にも位置することができますが、異なる位置にあります。確率.

電子が見つかる可能性が高い空間の部分はと呼ばれますあるいは電子クラウド。

電子原子の一部である素粒子。
1.6・10 19 C (1 素充電) で充電します。
質量 0.0005486 amu (陽子の質量の 1/1836)。
スピン1/2。
J.J.によって開かれました。 1897年のトンプソン
電子の動きは量子力学の法則に従います。

電子軌道

電子は原子核の場で継続的に運動しており、波と粒子の性質を同時に示します。波動関数は、原子または分子の状態を記述するために使用されます。 Ψ (x、y、z)、と呼ばれる軌道 (x、y、z– 空間座標）。
関数係数二乗 |Ψ| 2 dτ 与えられた基本体積内で電子が見つかる確率を決定します dτ 。量子力学では、軌道は Ψ はシュレーディンガー波動方程式の解です。

E Ψ = Ψ,
どこ E– エネルギー、 – ハミルトンのオペレーター。

波動関数 Ψ 定在波の振幅です。その符号は正または負です。所定の体積内の電子雲の密度に対応する波動関数の二乗係数は常に正です。
単純化されたアプローチがよく使用され、 軌道とは、電子を見つける確率が最大となる空間の領域です。 (~ 95%).

量子力学微粒子（電子、原子核など）の運動法則を確立する物理理論。量子力学と古典力学 (マクロ粒子の動きを記述する) の主な違いは次のとおりです。

量子力学の一部の物理量は本質的に確率的です。たとえば、微粒子の位置（座標）と速度を正確に決定することはできませんが、それらの異なる値の確率を計算することしかできません。
量子力学における一部の物理量の変化は連続的に発生するのではなく、離散的に発生します。たとえば、微粒子のエネルギーは特定の特定の値のみを持つことができます。

ハイゼンベルクの不確定性原理

微粒子 (原子、電子、原子核、光子など) の特性に関する実験的研究では、微粒子の動的変数 (座標、運動エネルギー、運動量など) を決定する精度には限界があり、発見された不確定性原理によって制御されることが示されています。 1927 年に W. ハイゼンベルクによって。この原則によれば、システムを特徴付ける動的変数は 2 つの (相互補完的な) グループに分類できます。

この場合、異なるグループの変数 (座標とインパルス、時間とエネルギーなど) を望ましい精度で同時に決定することは不可能です。これは機器や実験技術の解像度の限界によるものではなく、基本的な自然法則を反映しています。その数学的定式化は次の関係によって与えられます。

通常、微粒子のエネルギー値は実験的に比較的簡単に決定できるため、非常に正確に示されます。

電子（素粒子）。 電子。 電子の教育と構造。 電子の磁気単極子 物理学における電子の質量とは何ですか