Из чего состоит электрон? масса и заряд электрона

Экспериментальное определение элементарного электрического заряда

Число Авогадро и постоянная Фарадея

Если известны число Авогадро NA и постоянная Фарадея F, величину элементарного электрического заряда можно вычислить, используя формулу

e=FNA{\displaystyle e={\frac {F}{N_{\mathrm {A} }}}}

(другими словами, заряд одного моля электронов, делённый на число электронов в моле, равен заряду одного электрона.)

По сравнению с другими, более точными методами, этот метод не даёт высокой точности, но всё-таки точность его достаточно высока.
Ниже приводятся подробности этого метода.

Значение постоянной Авогадро NA было впервые приблизительно измерено Иоганном Йозефом Лошмидтом, который в 1865 году определил на газокинетической основе размер молекул воздуха, что эквивалентно расчету числа частиц в заданном объёме газа. Сегодня значение NA может быть определено с очень высокой точностью с использованием очень чистых кристаллов (как правило — кристаллов кремния) путём измерения расстояния между атомами с использованием дифракции рентгеновских лучей; или другим способом, с точным измерением плотности кристалла. Отсюда можно найти массу (m) одного атома, а так как молярная масса (M) известна, число атомов в моле может быть рассчитано так: NA = M/m.

Величина F может быть измерена непосредственно с помощью законов электролиза Фарадея. Законы электролиза Фарадея определяют количественные соотношения, основанные на электрохимических исследованиях, опубликованных Майклом Фарадеем в 1834 году. В эксперименте электролиза существует взаимно-однозначное соответствие между количеством электронов проходящих между анодом и катодом, и количеством ионов, осевших на пластине электрода. Измеряя изменения массы анода и катода, а также общий заряд, проходящий через электролит (который может быть измерен как интеграл по времени от электрического тока), а также учитывая молярную массу ионов, можно вывести F.

Ограничения на точность метода заключается в измерении F. Лучшие экспериментальное значения имеют относительную погрешность 1,6 промилле, что примерно в тридцать раз больше, чем в других современных методах измерения и расчета элементарного заряда.

Опыт Милликена

Основная статья: Опыт Милликена

Известный опыт по измерению заряда электрона e. Маленькая капля масла в электрическом поле будет двигаться с такой скоростью, что будут скомпенсированы сила тяжести, сила Стокса (производная от вязкости воздуха) и электрическая сила. Сила тяжести и Стокса могут быть рассчитаны исходя из размера и скорости падения капли в отсутствие электрического поля, откуда может быть определена и электрическая сила, действующая на каплю. Поскольку электрическая сила, в свою очередь, пропорциональна произведению электрического заряда и известной, заданной в эксперименте, напряжённости электрического поля, электрический заряд капли масла может быть точно вычислен. В этих опытах измеренные заряды различных капель масла оказались всегда целыми кратными одной небольшой величины, а именно e.

Дробовой шум

Основная статья: Дробовой шум

Любой электрический ток сопровождается электронным шумом от различных источников, одним из которых является дробовой шум. Существование дробового шума связано с тем, что ток является не непрерывным, а состоит из дискретных электронов, которые поочерёдно поступают на электрод. Путём тщательного анализа шума тока может быть вычислен заряд электрона. Этот метод, впервые предложенный Вальтером Шоттки, может давать значение е с точностью до нескольких процентов. Тем не менее, он был использован в первом прямом наблюдении Лафлином квазичастиц, причастных к дробному квантовому эффекту Холла.

Эффект Джозефсона и константа фон Клитцинга

Другим точным методом измерения элементарного заряда является вычисление его из наблюдения двух эффектов квантовой механики: эффекта Джозефсона, при котором возникают колебания напряжения в определённой сверхпроводящей структуре и квантового эффекта Холла, эффекта квантования холловского сопротивления или проводимости двумерного электронного газа в сильных магнитных полях и при низких температурах. Постоянная Джозефсона

KJ=2eh,{\displaystyle K_{\mathrm {J} }={\frac {2e}{h}},}

где h — постоянная Планка, может быть измерена непосредственно с помощью эффекта Джозефсона.

RK=he2{\displaystyle R_{\mathrm {K} }={\frac {h}{e^{2}}}}

может быть измерена непосредственно с помощью квантового эффекта Холла.

Из этих двух констант может быть вычислена величина элементарного заряда:

e=2RKKJ.{\displaystyle e={\frac {2}{R_{\mathrm {K} }K_{\mathrm {J} }}}.}

1 Радиус электрона

Радиус электрона (расстояние от центра частицы до места в котором достигается максимальная плотность массы) определяемый по формуле:

равен 1,98 ∙10-11 см.

Радиус области пространства, занимаемого электроном, определяемый по формуле:

равен 3,96 ∙10-11 см. К величине r0~ добавился еще радиус кольцевой области, занимаемой переменным электромагнитным полем электрона. Необходимо помнить, что часть величины массы покоя, сосредоточенной в постоянных (электрическом и магнитном) полях электрона находится за пределами данной области, в соответствии с законами электродинамики.

Электрон больше любого атомного ядра, поэтому не может присутствовать в атомных ядрах, а рождается в процессе распада нейтрона, также как позитрон рождается в процессе распада в ядре протона.

Утверждения о том, что радиус электрона порядка 10-16 см бездоказательные и противоречат классической электродинамике. При таких линейных размерах электрон должен быть тяжелее протона.

Примечания

  1. Также то же, что и электрум: «янтарного цвета сплав золота (80 %) с серебром (20 %)» (Черных П. Я. Историко-этимологический словарь).
  2. Ельяшевич М. А. // Физическая энциклопедия : / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Советская энциклопедия, 1988. — Т. 1: Ааронова — Бома эффект — Длинные линии. — С. 146—151. — 707 с. — 100 000 экз.
  3. Единица заряда СГСЭ (франклин или статкулон) определена как 110⋅c{\displaystyle {\frac {1}{10\cdot c}}} Кл = (2 997 924 580)−1 Кл (точно), где c — числовое значение скорости света в вакууме в единицах СИ (м/с), по определению равное 2 997 924 580. Единица заряда СГСМ, которую иногда называют абкулон, определена как 10 Кл. Поэтому элементарный заряд, выраженный в единицах заряда СГСЭ и СГСМ, также имеет точное значение.
  4. Наумов А. И. Физика атомного ядра и элементарных частиц. — М.: Просвещение, 1984. — С. 82. — 30 000 экз.
  5. Смондырев М. А. Квантовая электродинамика на малых расстояниях (рус.) // Природа. — Наука, 1980. — № 9. — С. 74—77.
  6. , с. 67.
  7. По предложению Карла Андерсона, открывшего позитрон в 1932 году.
  8. Из статьи Skibo J. G., Ramaty R. Primary and Secondary Cosmic Ray Positrons and Electrons // 23rd International Cosmic Ray Conference. — 1993. — Vol. 2. — P. 132—135. — .: «Hereafter, the term electron will refer to positrons and negatrons».
  9. Мотт Н., Снеддон И. Волновая механика и её применения. — М: Наука, 1966. — С. 30. — 9400 экз.
  10. Спроул Р. Современная физика. — М.: Наука, 1974. — С. 18. — 34 000 экз.
  11. Быков Г. В. К истории открытия электрона // Вопросы истории естествознания и техники. — 1963. — Вып. 15. — С. 25—29.
  12. Thomson G. P. The Septuagenarian Electron (англ.) // Phys. Today. — 1967. — Vol. 20, iss. 5. — P. 55.; Пер. с англ.:
  13. Киттель Ч. Квантовая теория твердых тел. — М.-Л.: Наука, 1967. — С. 103.
  14. Давыдов А. С. Теория твердого тела. — М.: Мир, 1979. — С. 122.
  15. Вайнберг С. Первые три минуты. — М.: Эксмо, 2011. — 208 с. — ISBN 978-5-699-46169-1.
  16. Смородинский Я. А. Законы и парадоксы элементарных частиц // Физика наших дней. Сборник. — М.: Знание, 1972. — С. 90—91.
  17. Дорман Л. И. Экспериментальные и теоретические основы астрофизики космических лучей. — М.: Наука, 1975. — 464 с.
  18. , с. 552.
  19. , с. 558.
  20. Щёлкин К. И. Физика микромира. — М.: Атомиздат, 1965. — 230 с.
  21. Розенталь И. Л., Архангельская И. В. Геометрия, динамика, Вселенная. — М.: Едиториал УРСС, 2003. — С. 175. — ISBN 5-354-00413-6.
  22. Вайскопф В. Физика в двадцатом столетии. — М.: Атомиздат, 1977. — С. 103.
  23. Бор Н. Дискуссии с Эйнштейном о проблемах теории познания в атомной физике // Атомная физика и человеческое познание. — М.: ИЛ, 1961. — С. 92.
  24. Розенфельд Л. Квантовая электродинамика // Нильс Бор и развитие физики. — М.: ИЛ, 1958. — С. 115.
  25. Иваненко Д. Д. Элементарные частицы // Очерки развития основных физических идей. — М.: АН СССР, 1959. — С. 427. — 5000 экз.
  26. Пономарев Л. И. По ту сторону кванта. — М.: Молодая гвардия, 1971. — С. 43.
  27. Новиков И. Д. Как взорвалась Вселенная. — М.: Наука, 1988. — 141 с. — ISBN 5-02-013881-9.
  28. , с. 65.

Свойства

Заряд электрона неделим и равен −1,602176634⋅10−19Кл (точно) (или −4,803204712570263⋅10−10ед. заряда СГСЭ (точно) в системе СГСЭ или −1,602176634⋅10−20 ед. СГСМ (точно) в системе СГСМ); он был впервые непосредственно измерен в экспериментах А. Ф. Иоффе () и Р. Милликена (). Заряд электрона, взятый с положительным знаком (элементарный заряд), служит единицей измерения электрического заряда других элементарных частиц. В настоящее время (с 2019 года) основные единицы СИ привязаны к фундаментальным константам; в частности, определение кулона привязано к элементарному заряду, поэтому все вышеприведённые значения заряда указаны без погрешности, они по определению имеют абсолютную точность.

me=9,1093837015(28)⋅10−31{\displaystyle {m_{\mathrm {e} }}=9{,}1093837015(28)\cdot 10^{-31}} кг — масса электрона.
e=−1,602176634⋅10−19{\displaystyle {e_{0}}=-1{,}602176634\cdot 10^{-19}} Кл — заряд электрона.
eme=−1,75882001076(53)⋅1011{\displaystyle {\frac {e_{0}}{m_{\mathrm {e} }}}=-1{,}75882001076(53)\cdot 10^{11}} Кл/кг — удельный заряд электрона.
s=12{\displaystyle s={\frac {1}{2}}} — спин электрона в единицах ℏ.{\displaystyle \hbar .}

В отличие от большинства других известных науке частиц, электрон стабилен (более точно, в пределах чувствительности эксперимента его время жизни не менее 6,6⋅1028 лет с 90%-й доверительной вероятностью). Распаду свободного электрона на нейтрино и фотоны препятствует закон сохранения электрического заряда, а распаду на другие элементарные частицы препятствует закон сохранения энергии.

Современная наука рассматривает электрон как фундаментальную элементарную частицу, не обладающую внутренней структурой и размерами. Эксперименты по сверхточному определению магнитного момента электрона (Нобелевская премия 1989 года) показывают, что размеры электрона не превышают 10−20 см. Проведённые до этого эксперименты по столкновению электронов высоких энергий давали более грубое ограничение на размеры: 10−17 см.

Внутренняя чётность электрона равна +1. Электрон участвует в слабом, электромагнитном и гравитационном взаимодействиях. Примерами участия электрона в слабых взаимодействиях являются бета-распад и электронный захват. Он принадлежит к группе лептонов и является (вместе со своей античастицей, позитроном) легчайшим из заряженных лептонов и легчайшей элементарной частицей, имеющей электрический заряд. До открытия массы нейтрино электрон считался наиболее лёгкой из массивных частиц — его масса примерно в 1836 раз меньше массы протона. Спин электрона равен 12, и, таким образом, электрон относится к фермионам.

Как и любая заряженная частица со спином, электрон обладает магнитным моментом, причём магнитный момент делится на нормальную часть и аномальный магнитный момент (добавка примерно 0,116%). Магнитный момент электрона μe = -9,2847647043(28)⋅10−24 Дж/Тл. В 1989 году Г. Демельту была присуждена Нобелевская премия по физике за измерение магнитного момента электрона с точностью до 13 знаков после запятой.

Иногда к электронам относят как собственно электроны, так и позитроны (например, рассматривая их как общее электрон-позитронное поле, решение уравнения Дирака), особенно в тех задачах, когда их общие свойства более существенны, чем различия. При таком выборе терминов отрицательно заряженный электрон называют негатроном, положительно заряженный — позитроном.

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

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

Благодаря своей малой массе электроны вследствие туннельного эффекта с лёгкостью проникают через потенциальные барьеры высотой в несколько электрон-вольт и толщиной примерно до десятка атомных диаметров. Явлением туннельного эффекта для электронов объясняется то, что электрический ток может протекать между металлическим электродом и ионами раствора или между двумя металлами, находящимися в контакте, несмотря на то, что поверхность металла обычно покрыта слоями окисла или загрязнена.

Отношение электрического заряда к массе для электрона во много раз превышает аналогичное отношение для любой другой элементарной частицы или системы частиц. Электроны можно получать из твёрдых тел относительно легко по сравнению с любыми другими частицами. Эти два обстоятельства лежат в основе многочисленных применений электронов в электровакуумных приборах.

Орбиталь

Орбиталь — в многоэлектронной системе — одноэлектронная волновая функция.

Для описания атомных и молекулярных многоэлектронных систем вместо точного решения уравнения Шрёдингера приходится обращаться к тем или иным приближениям, одним из которых является одноэлектронное или (другое название) — орбитальное. В его основе лежит представление о существовании индивидуальных состояний каждого электрона, которые представляют собой стационарные состояния движения электрона в некотором эффективном поле, создаваемом ядром (или ядрами) и всеми остальными электронами. Эти стационарные состояния описываются соответствующими одноэлектронными функциями.

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 квантового компьютера, 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.

Этимология и история открытия

Краткий обзор различных семейств элементарных и составных частиц и теории, описывающие их взаимодействия. Элементарные частицы слева — фермионы, справа — бозоны. (Термины — гиперссылки на статьи ВП)

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 предложенДж. Дж. Стоуни в 1894 году (сама единица была введена им в 1874 году). Открытие электрона как частицы принадлежит Э. Вихерту и Дж. Дж. Томсону, которые в году установили, что отношение заряда к массе для катодных лучей не зависит от материала источника.

Согласно гипотезе де Бройля (), электрон (как и все другие материальные микрообъекты) обладает не только корпускулярными, но и волновыми свойствами. Де-бройлевская длина волны электрона равна λ=hp{\displaystyle \lambda ={\frac {h}{p}}}, где h{\displaystyle h} — постоянная Планка, p{\displaystyle p} — импульс электрона. В нерелятивистском случае v≪c{\displaystyle v\ll c} она равна λ=hmev{\displaystyle \lambda ={\frac {h}{m_{\mathrm {e} }v}}}, где v{\displaystyle v} — скорость движения электрона, me{\displaystyle m_{\mathrm {e} }} — масса электрона. В ультрарелятивистском случае v→c,E≫mec2{\displaystyle v\rightarrow c,E\gg m_{\mathrm {e} }c^{2}} она равна λ=hcE{\displaystyle \lambda ={\frac {hc}{E}}}, где c{\displaystyle c} — скорость света, E{\displaystyle E} — энергия электрона.

В соответствии с этим электроны, подобно свету, могут испытывать интерференцию и дифракцию. Волновые свойства электронов были экспериментально обнаружены в 1927 году американскими физиками К. Дэвиссоном и Л. Джермером (Опыт Дэвиссона — Джермера) и независимо английским физиком Дж. П. Томсоном.

Энергетические уровни

Электронов в облаке вокруг атома ровно столько, сколько и протонов в его ядре. Все они находятся на разном расстоянии. Ближе всего к ядру расположены электроны с наименьшим количеством энергии. Чем больше энергии находится в частицах, тем дальше они могут находиться.

Но располагаются они не хаотично, а занимают конкретные уровни, которые вмещают только определенное число частиц. Каждый уровень обладает своим количеством энергии и разделяется на подуровни, а те, в свою очередь, на орбитали.

Из чего состоит электрон? масса и заряд электрона

Для описания характеристик и расположения электронов на энергетических уровнях используются четыре квантовых числа:

  • n – главное число, определяющее запас энергии электрона (соответствует номеру периода химического элемента);
  • l – орбитальное число, которое описывает форму электронного облака (s — сферическая, p – форма восьмерки, d – форма клевера или двойной восьмерки, f – сложная геометрическая форма);
  • m – магнитное число, определяющее ориентацию облака в магнитном поле;
  • ms – спиновое число, характеризующее обращение электронов вокруг своей оси.

Открытие новой частицы

К моменту, когда были открыты электроны в атоме, ученые давно знали о существовании электричества и магнетизма. Но истинная природа и полные свойства этих явлений до сих пор остаются загадкой, занимая умы многих физиков.

Уже в начале XIX века было известно, что распространение электромагнитного излучения происходит со скоростью света. Однако англичанин Джозеф Томсон, проводя опыты с катодными лучами, заключил, что они состоят из множества мелких крупиц, масса которых меньше атомной.

Из чего состоит электрон? масса и заряд электрона

В апреле 1897 года Томсон выступил с докладом, где и представил научному сообществу рождение новой частицы в составе атома, которую он назвал корпускулой. Позже Эрнест Резерфорд при помощи экспериментов с фольгой подтвердил выводы своего учителя, а корпускулам дали другое название — «электроны».

Это открытие подтолкнуло развитие не только физической, но и химической науки. Оно позволило значительно продвинуться в изучении электричества и магнетизма, свойств веществ, а также дало начало ядерной физике.

Использование

Эксперименты с трубкой Крукса впервые продемонстрировали природу электронов

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 явление (электрический ток) является одной из основ современной цивилизации и используется практически повсеместно в промышленности, связи, информатике, электронике, в быту. Скорость дрейфа электронов в проводниках крайне 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 (ЭЛТ) — кинескопами. Электронный микроскоп также использует способность электронных пучков подчиняться законам электронной оптики. Ещё ускоренные электронные лучи применяются для создания рентгеновского излучения: при попадании электронного пучка в металлическую мишень происходит рассеяние электронов на электростатическом поле атомных ядер и электронов и генерация тормозного излучения. 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 в телевизорах и мониторах.

Электронные пучки используются в устройствах для очистки дымовых газов и в буровых установках для бурения скальных пород.

Как делили неделимое

В современном понимании электроны – это элементарные частицы. Они являются целостными и не раскалываются на более мелкие структуры. Но такое представление существовало не всегда. До 1897 года об электронах не имели никакого понятия.

Ещё мыслители Древней Греции догадывались о том, что каждая вещь на свете, подобно зданию, состоит из множества микроскопических «кирпичиков». Наименьшей единицей вещества тогда считался атом, и это убеждение сохранялось веками.

Представление об атоме изменились только в конце XIX века. После исследований Дж. Томсона, Э. Резерфорда, Х. Лоренца, П. Зеемана, мельчайшими неделимыми частицами были признаны атомные ядра и электроны. Со временем были открыты протоны, нейтроны, а ещё позже — нейтрино, каоны, пи-мезоны и т. д.

Сейчас науке известно огромное количество элементарных частиц, свое место среди которых неизменно занимают и электроны.

Из чего состоит электрон? масса и заряд электрона

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.

Из чего состоит электрон? масса и заряд электрона

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. Квантовый компьютер 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.

Электрон и Вселенная

Через сотую долю секунды после Большого взрыва Вселенная состояла из смеси электронов, позитронов, нейтрино, фотонов, протонов и нейтронов. На каждые протон и нейтрон приходилось примерно по миллиарду электронов, позитронов, нейтрино и фотонов. Примерно через 14 секунд после Большого взрыва, когда температура Вселенной снизилась до 3 млрд градусов, почти все электроны аннигилировали с позитронами.

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 (46,6 млрд световых лет) можно подсчитать, что число электронов в этом объёме составляет ~1080, что сопоставимо с большими числами Дирака.

Электрический заряд электрона, постоянная Планка и скорость света определяют постоянную тонкой структуры, определяющую интенсивность электромагнитных взаимодействий: α=e2ℏc≈1137{\displaystyle \alpha ={\frac {e^{2}}{\hbar c}}\approx {\frac {1}{137}}}.

Масса электрона, электрический заряд электрона и постоянная Планка определяют характерный размер атомов (боровский радиус): r=ℏ2me2=,5⋅10−8{\displaystyle r={\frac {\hbar ^{2}}{me^{2}}}=0{,}5\cdot 10^{-8}} см.

Радиоизлучение радиогалактик и пульсаров объясняется синхротронным излучением электронов в магнитных полях около этих объектов. Доля электронов с энергией, превышающей 1 ГэВ, в первичных космических лучах составляет около 1 % от общего потока.

Давление вырожденного электронного газа играет важную роль на заключительном этапе эволюции звёзд. Звёзды с массой меньше чандрасекаровского предела после охлаждения стабилизируются давлением вырожденного электронного газа и превращаются в белые карлики. В звёздах с большей массой атомные ядра захватывают электроны и распадаются на нейтроны (нейтронная звезда). Ядерные реакции с участием электронов и позитронов играют важную роль при взрывах сверхновых звёзд.

С электроном связаны несколько физических величин, имеющих размерность длины:

  • комптоновская длина волны электрона λ=2πℏmc≈2,4⋅10−10{\displaystyle \lambda ={\frac {2\pi \hbar }{mc}}\approx 2{,}4\cdot 10^{-10}} см;
  • классический радиус электрона r=e2mc2≈2,8⋅10−13{\displaystyle r={\frac {e^{2}}{mc^{2}}}\approx 2{,}8\cdot 10^{-13}} см;
  • гравитационный радиус электрона r=2Gmc2≈1,35⋅10−55{\displaystyle r={\frac {2Gm}{c^{2}}}\approx 1{,}35\cdot 10^{-55}} см.

Все электроны во Вселенной абсолютно одинаковы по своим свойствам. Если обозначить величину электрического заряда электрона как e{\displaystyle e}, то электрические заряды всех известных элементарных частиц, за исключением кварков, равны ±e,{\displaystyle \pm e,0}, а электрические заряды кварков равны ±13e,±23e{\displaystyle \pm {\frac {1}{3}}e,\pm {\frac {2}{3}}e}. Масса электрона резко выделяется в распределении известных элементарных частиц по массам. Классический радиус электрона почти равен радиусу действия ядерных сил. Можно ли вывести величину электрического заряда электрона из других мировых констант (скорости света, постоянной Планка, гравитационной постоянной)? Имеет ли смысл вопрос о размере электрона? Зависит ли размер электрона от условий опытов? Ответы на эти вопросы пока неизвестны (см. Нерешённые проблемы современной физики).

Если бы масса электрона превышала разность масс нейтрона и протона, то химический состав Вселенной изменился бы коренным образом. В ней отсутствовал бы водород, а следовательно, звёзды в их обычном понимании, жизнь и разум. Поэтому, возможно, малая масса электрона обусловлена антропным принципом.

Если бы электрон имел целый спин, то принцип Паули бы для него не выполнялся. Как следствие, во всех атомах , и все атомы были бы химически инертны. Во Вселенной отсутствовали бы молекулы, химические соединения и жизнь, подобная нашей.[источник не указан 625 дней]

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.

admin
Оцените автора
( Пока оценок нет )
Добавить комментарий