4.9: Електрон

Last updated

Oct 25, 2022
Save as PDF
- 4.8: Випромінювання
- 4.9.1: Демонстрації лекцій на електроні

$\newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} }$

$\newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}}$

$\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$

$\newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$

$\newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$

$\newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$

$\newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$

$\newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$

$\newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$

$\newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$

$\newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$

$\newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$

$\newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$

$\newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$

$\newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

Близько середини дев'ятнадцятого століття англійський хімік і фізик Майкл Фарадей (1791 - 1867) встановив зв'язок між електрикою і хімічними реакціями. Він вже знав, що електричний струм, що протікає в певні розплавлені сполуки через металеві пластини, звані електродами, може спричинити реакції. Зразки різних елементів будуть осідати на електродах. Фарадей встановив, що така ж кількість електричного заряду потрібно для отримання 1 моль будь-якого елемента, валентність якого становила 1. Двічі ця кількість заряду буде здавати 1 моль елемента, валентність якого становила 2, і так далі.

Електричний заряд вимірюється в одиницях, званих кулонами, скорочено C. Один кулон - це величина заряду, яка відповідає струму в один ампер, що протікає протягом однієї секунди. На зображенні нижче можна побачити електрони (сині частинки), що протікають через металевий дріт. Кулон тоді є сумарним зарядом всіх електронів, які протікають через дріт в задану секунду.

Зображення Кредити: Фізика Відео Євгена Хуторянського

Взаємозв'язок між електрикою та атомною структурою була додатково з'ясована експериментами за участю електронно-променевих трубок у 1890-х роках. Електронно-променева трубка може бути виготовлена шляхом викачування більшої частини повітря або іншого газу зі скляної трубки і прикладання високої напруги до двох металевих електродів всередині. Якщо ZnS або якийсь інший люмінофор поміщений на скло на кінці трубки навпроти негативно зарядженого електрода (катода), ZnS випромінює світло. Це говорить про те, що від катода витікають якісь промені. При проходженні між полюсами магніту ці катодні промені поводяться так само, як і описані раніше β частинки. Той факт, що вони були дуже маленькими електрично зарядженими частинками, спонукав англійського фізика Джей Джей Томсона (1856 по 1940) ототожнювати їх з електронами експериментів Фарадея. Таким чином катодні промені являють собою пучок електронів, які виходять з твердого металу катода. Вони поводяться точно так само незалежно від того, з чого зроблений електрод або який газ знаходиться в трубці. Ці спостереження дозволяють зробити висновок, що електрони повинні бути складовими всієї матерії.

Крім відхилення магнітом, електронний промінь в електронно-променевій трубці може притягуватися до позитивно зарядженої металевої пластини або відштовхуватися від негативної пластини. Налаштовуючи такі електроди для точного скасування прогину, виробленого магнітом відомої сили, Томсон зміг визначити, що відношення заряду до маси для електрона становить 1,76 × 10 ⁸ С/г Це досить велике співвідношення. Або кожен електрон має дуже великий заряд, або кожен має дуже малу масу. Ми можемо побачити, що, використовуючи результат Фарадея, що існує 96 500 С моль ^—1 електронів.

$\frac{\text{96 500 C mol}^{-\text{1}}}{\text{1}\text{.76 }\times \text{ 10}^{\text{8}}\text{ C g}^{-\text{1}}}=\text{5}\text{.48 }\times \text{ 10}^{-\text{4}}\text{ g mol}^{-\text{1}} \nonumber$

Таким чином, молярна маса електрона становить 5,48 × 10 ^—4 г моль ^—1, і якщо ми думаємо про електрон як «атом «(або неподільну частинку) електрики, його атомна вага становила б 0,000548 - лише $\tfrac{1}{1837}$ водню, найлегшого елемента з відомих. У 1909 році американський фізик Роберт Міллікан (1863 по 1953) зміг визначити заряд на електроні незалежно від його маси. Його значення 1,6 × 10 ^—19 С можна об'єднати з співвідношенням заряду до маси Томсона, щоб дати незалежну перевірку молярної маси для електрона

$\frac{\text{1}\text{.60 }\times \text{ 10}^{-\text{19}}\text{ C}}{\text{1}\text{.76 }\times \text{ 10}^{\text{8}}\text{ C g}^{-\text{1}}}\text{ }\times \text{ 6}\text{.022 }\times \text{ 10}^{\text{23}}\text{ mol}^{-\text{1}}=\text{5}\text{.47 }\times \text{ 10}^{-\text{4}}\text{ g mol}^{-\text{1}} \nonumber$

тим самим підтверджуючи, що електрон має набагато меншу масу, ніж найлегший атом. (Кількість 1,6 × 10 ^—19 С часто представлена символом е. Таким чином, заряд на одному електроні дорівнює — e = —1.6 × 10 ^—19 C Знак мінус вказує на те, що електрон є негативно зарядженою частинкою.)