Qual è la massa di un elettrone?

Gli elettroni sono noti per avere una carica negativa. Ma come possiamo assicurarci che la massa di elettroni e la sua carica siano costanti per tutte queste particelle? Puoi controllare questo solo catturandolo al volo. Fermandosi, si perde tra le molecole e gli atomi che compongono l'attrezzatura di laboratorio. Il processo di conoscenza del microcosmo e delle sue particelle ha fatto molta strada: dai primi esperimenti primitivi agli ultimi sviluppi nel campo della fisica atomica sperimentale.

Prime informazioni sugli elettroni

Centocinquanta anni fa, gli elettroni non erano noti. La prima campana, che indica l'esistenza di "mattoni" di elettricità, erano esperimenti di elettrolisi. In tutti i casi, ogni particella carica di una sostanza portava una carica elettrica standard con la stessa intensità. In alcuni casi, la quantità di addebito è raddoppiata o triplicata, ma è sempre rimasta un multiplo di un valore minimo di addebito.

Esperimenti di J. Thompson

Nel laboratorio di Cavendish, J. Thomson ha condotto un esperimento che ha dimostrato l'esistenza di particelle di elettricità. Per fare ciò, lo scienziato ha studiato la radiazione emessa dai tubi catodici. Nell'esperimento, i raggi respinsero dalla piastra caricata negativamente e attratti da quella carica positivamente. È stata confermata l'ipotesi della presenza costante nel campo elettrico di alcune particelle elettriche. La loro velocità era paragonabile a la velocità della luce.Carica elettrica in termini di massa di particelle, si è rivelato incredibilmente grande. Dalle sue osservazioni Thompson ha tratto diverse conclusioni, che sono state successivamente confermate da altri studi.

Le conclusioni di Thompson

1. Gli atomi possono essere spezzati quando bombardati con particelle più veloci. In questo caso, i globuli caricati negativamente vengono espulsi dal centro degli atomi.
2. Tutte le particelle cariche hanno la stessa massa e carica, indipendentemente dalla sostanza dalla quale sono state ottenute.
3. La massa di queste particelle è molto inferiore alla massa dell'atomo più leggero.
4. Ogni particella di una sostanza porta la minima frazione possibile di una carica elettrica, la minima delle quali non esiste in natura. Qualsiasi corpo carico trasporta un numero intero di elettroni.

Esperimenti dettagliati hanno permesso di calcolare i parametri di misteriose microparticelle. Di conseguenza, è stato scoperto che i corpuscoli carichi aperti sono atomi indivisibili di elettricità. Successivamente, hanno ricevuto il nome di elettroni. Veniva dall'antica Grecia e risultò appropriato per la descrizione di una particella appena scoperta.

Misura diretta della velocità dell'elettrone

Poiché non vi è alcuna possibilità di vedere un elettrone, gli esperimenti necessari per misurare le quantità di base di questa particella elementare sono realizzati con l'aiuto dei campi elettromagnetico e gravitazionale. Se il primo influenza solo la carica di elettroni, quindi con l'aiuto di esperimenti sottili, tenendo conto dell'effetto gravitazionale, è stato possibile calcolare approssimativamente la massa di elettroni.

Pistola elettronica

Le prime misurazioni delle masse e delle cariche di elettroni sono state eseguite usando un cannone elettronico. Il vuoto profondo nel corpo della pistola consente agli elettroni di essere trasportati da un fascio stretto da un catodo all'altro. Gli elettroni sono costretti a passare attraverso fori stretti due volte a una velocità costante v . C'è un processo simile a come un getto di un tubo da giardino entra in un buco nel recinto. Porzioni di elettroni volano lungo il tubo a velocità costante. È stato provato sperimentalmente che se la tensione applicata al cannone elettronico è di 100 V, allora la velocità dell'elettrone sarà calcolata come 6 milioni di m / s.

Conclusioni sperimentali

La misurazione diretta della velocità degli elettroni mostra che indipendentemente dal materiale di cui è composta la pistola e da quale sia la differenza di potenziale, il rapporto e / m = const è soddisfatto.

Questa conclusione è stata fatta all'inizio del 20 ° secolo. Fasci omogenei di particelle cariche non erano ancora in grado di creare, altri strumenti furono usati per gli esperimenti, ma il risultato rimase lo stesso. L'esperimento ci ha permesso di trarre alcune conclusioni. Il rapporto tra la carica dell'elettrone e la sua massa è lo stesso per gli elettroni. Ciò rende possibile trarre conclusioni sull'universalità dell'elettrone come parte integrante di qualsiasi materia nel nostro mondo. A velocità molto elevate, e / m è inferiore al previsto. Questo paradosso è del tutto comprensibile dal fatto che a velocità elevate, paragonabili alla velocità della luce, la massa della particella aumenta. Le condizioni al contorno delle trasformazioni di Lorentz suggeriscono che quando la velocità del corpo è uguale alla velocità della luce, la massa di questo corpo diventa infinita. Un notevole aumento della massa di elettroni avviene in completo accordo con la teoria della relatività.

L'elettrone e la sua massa di riposo

La conclusione paradossale che la massa di elettroni non è costante comporta alcune conclusioni interessanti. Nello stato normale, la massa a riposo dell'elettrone non cambia. Può essere misurato sulla base di vari esperimenti. Allo stato attuale, la massa di elettroni viene misurata più volte e ammonta a 9.10938291 (40) · 10⁻³¹ kg. Gli elettroni con una tale massa entrano reazioni chimiche formare un movimento corrente elettrica catturato dagli strumenti più accurati che registrano le reazioni nucleari. Un notevole aumento di questo valore è possibile solo a velocità prossime alla velocità della luce.

Elettroni in cristalli

La fisica dello stato solido è una scienza che osserva il comportamento delle particelle cariche nei cristalli. Il risultato di numerosi esperimenti fu la creazione di una quantità speciale che caratterizza il comportamento di un elettrone nei campi di forza delle sostanze cristalline. Questa è la cosiddetta massa elettronica efficace. Il suo valore è calcolato in base al fatto che il movimento di un elettrone in un cristallo è soggetto a forze aggiuntive, la cui sorgente è di per sé reticolo cristallino. Tale movimento può essere descritto come standard per un elettrone libero, ma quando si calcola la quantità di moto e l'energia di una tale particella, è necessario prendere in considerazione non la massa di riposo dell'elettrone, ma quella effettiva, il cui valore sarà diverso.

Impulso di elettroni in cristallo

Lo stato di ogni particella libera può essere caratterizzato dall'entità della sua quantità di moto. Poiché il valore dell'impulso è già stato determinato, quindi, secondo il principio di incertezza, le coordinate delle particelle sembrano essere sfocate in tutto il cristallo. La probabilità di incontrare un elettrone in qualsiasi punto del reticolo cristallino è quasi la stessa. L'impulso elettronico caratterizza il suo stato in qualsiasi coordinata del campo energetico. I calcoli mostrano che la dipendenza dell'energia dell'elettrone sulla sua quantità di moto è la stessa di quella di una particella libera, ma la massa di elettroni può assumere un valore che differisce da quello normale. In generale, l'energia elettronica, espressa attraverso un impulso, avrà la forma E (p) = p ² / 2m *. In questo caso, m * è la massa di elettroni effettiva. L'applicazione pratica della massa efficace di un elettrone è estremamente importante nello sviluppo e nello studio di nuovi materiali semiconduttori usati nell'elettronica e nella microtecnologia.

La massa di un elettrone, come qualsiasi altra quasiparticella, non può essere caratterizzata da caratteristiche standard adatte nel nostro Universo. Qualsiasi caratteristica di una microparticella può sorprendere e sfidare tutte le nostre idee sul mondo che ci circonda.