Struktura materije.

Struktura atoma.

Atom je najmanja čestica hemijskog elementa, nosilac svih njegovih hemijskih svojstava. Atom je hemijski nedeljiv. Atomi mogu postojati u slobodnom stanju i u kombinaciji sa atomima istog ili drugog elementa.
Jedinica atomske i molekularne mase trenutno se uzima kao 1/12 mase atoma ugljika s atomskom masom jednakom 12 (izotop). Ova jedinica se zove karbonska jedinica.

Masa i veličina atoma. Avogadrov broj.

Gram-atom, kao i gram-molekul bilo koje supstance, sadrži 6,023 10^23 atoma, odnosno molekula. Ovaj broj se zove Avogadro broj (N0). Dakle, u 55,85 g gvožđa, 63,54 g bakra, 29,98 g aluminijuma, itd., nalazi se broj atoma jednak Avogadrovom broju.
Poznavajući Avogadro broj, lako je izračunati masu jednog atoma bilo kojeg elementa. Da biste to učinili, gram-atomska masa jednog atoma mora se podijeliti sa 6,023 10^23. Dakle, masa atoma vodika (1) i masa atoma ugljika (2) su respektivno jednake:

Na osnovu Avogadrovog broja može se procijeniti i zapremina atoma. Na primjer, gustina bakra je 8,92 g/cm ^ 3, a gram-atomska masa je 63,54 g. Dakle, jedan gram-atom bakra zauzima zapreminu , a jedan atom bakra ima zapreminu .

Struktura atoma.

Atom je složena formacija i sastoji se od niza manjih čestica. Atomi svih elemenata sastoje se od pozitivno nabijenog jezgra i elektrona - negativno nabijenih čestica vrlo male mase. Jezgro zauzima zanemarljiv dio ukupne zapremine atoma. Prečnik atoma je cm, a prečnik jezgra cm.
Iako je prečnik jezgra atoma 100.000 puta manji od prečnika samog atoma, praktično cela masa atoma je koncentrisana u njegovom jezgru. Iz toga slijedi da je gustina atomskih jezgara vrlo visoka. Kada bi bilo moguće prikupiti 1 cm3 atomskih jezgara, tada bi njegova masa bila oko 116 miliona tona.
Jezgro se sastoji od protona i neutrona. Ove čestice imaju zajednički naziv - nukleoni.
Proton- - stabilna elementarna čestica sa masom bliskom jedinici ugljenika. Naboj protona je jednak naboju elektrode, ali sa suprotnim predznakom. Ako se naboj elektrona uzme jednakim -1, tada je naboj protona +1. Proton je atom vodonika bez elektrona.
Neutron- atomska ljuska, čiji negativni naboj kompenzira pozitivan naboj jezgra, zbog prisustva protona u njemu.
Dakle, broj elektrona u atomu jednak je broju protona u njegovom jezgru.
Odnos između broja protona, broja neutrona i masenog broja atoma izražava se jednadžbom: N=A-Z
Dakle, broj neutrona u jezgru atoma bilo kojeg elementa jednak je razlici između njegovog masenog broja i broja protona.
Dakle, broj neutrona u jezgru atoma radijuma mase 226 N=A-Z=226-88=138

Masa i naboj elektrona.

Svi hemijski procesi stvaranja i uništavanja hemijskih jedinjenja odvijaju se bez promene jezgara atoma elemenata koji čine ova jedinjenja. Samo elektronske ljuske prolaze kroz promjene. Hemijska energija je stoga povezana s energijom elektrona. Da bi se razumjeli procesi formiranja i razaranja kemijskih spojeva, potrebno je razumjeti svojstva elektrona općenito, a posebno svojstva i ponašanje elektrona u atomu.
Elektron- ovo je elementarna čestica koja ima elementarni negativni električni naboj, odnosno najmanju količinu električne energije koja može postojati. Naboj elektrona je jednak el. Art. jedinice ili privezak. Masa mirovanja elektrona jednaka je r, tj. 1837,14 puta manje od mase atoma vodonika. Masa elektrona je jedinica ugljenika.

Bohrov model atoma.

Početkom 20. vijeka M. Planck A. Einstein stvorio je kvantnu teoriju svjetlosti, prema kojoj je svjetlost tok pojedinačnih energetskih kvanta nošenih česticama svjetlosti - fotoni.
Vrijednost kvanta energije(E) je različita za različita zračenja i proporcionalna je frekvenciji oscilovanja:
,
gdje je h Plankova konstanta.
M. Planck je pokazao da atomi apsorbuju ili emituju energiju zračenja samo u odvojenim, dobro definisanim delovima - quanta.
Pokušavajući da poveže zakon klasične mehanike s kvantnom teorijom, danski naučnik N. Bohr vjerovao je da elektron u atomu vodika može biti samo u određenim - konstantnim orbitama, čiji su polumjeri međusobno povezani kao kvadrati cijelih brojeva. Ove orbite je N. Bohr nazvao stacionarnim.
Zračenje energije nastaje samo kada se elektron kreće iz udaljenije orbite u orbitu bliže jezgru. Kada elektron prijeđe iz bliske orbite u udaljeniju, atom apsorbira energiju.
, gdje su energije elektrona u stacionarnim stanjima.
Kada Ei > Ek, energija se oslobađa.
Za Ei< Ек энергия поглощается.
Rješenje problema raspodjele elektrona u atomu zasniva se na proučavanju linijskih spektra elemenata i njihovih hemijskih svojstava. Spektar atoma vodika je gotovo u potpunosti potvrdio teoriju N. Bohra. Međutim, uočeno cijepanje spektralnih linija u višeelektronskim atomima i pojačanje ovog cijepanja u magnetskom i električnom polju ne može se objasniti teorijom N. Bora.

Talasna svojstva elektrona.

Zakoni klasične fizike suprotstavljaju jedni drugima koncepte "čestice" i "talasa". Moderna fizička teorija, nazvana kvantna, ili talasna mehanika, je pokazao da se kretanje i interakcija čestica male mase - mikročestica odvija po zakonima drugačijim od zakona klasične mehanike. Mikročestica istovremeno ima neka svojstva korpuskula (čestica) i neka svojstva talasa. S jedne strane, elektron, proton ili druga mikročestica se kreće i ponaša se poput čestice, na primjer, kada se sudara s drugom mikročesticom. S druge strane, kada se mikročestica kreće, detektuju se fenomeni interferencije i difrakcije tipični za elektromagnetne talase.
Dakle, u svojstvima elektrona (kao i drugih mikročestica), u zakonima njegovog kretanja, očituje se kontinuitet i međusobna povezanost dva kvalitativno različita oblika postojanja materije, supstance i polja. Mikročestica se ne može smatrati ni običnom česticom ni kao običnim talasom. Mikročestica ima korpuskularno-talasni dualizam.
Govoreći o odnosu materije i polja, može se doći do zaključka da ako svaka materijalna čestica ima određenu masu, onda, očigledno, istoj čestici mora odgovarati i određena dužina, talas. Postavlja se pitanje odnosa između mase i talasa. Godine 1924., francuski fizičar Louis de Broglie je sugerirao da je sa svakim elektronom u pokretu (i općenito sa svakom pokretnom česticom materijala) povezan valni proces čija je valna dužina , gdje je valna dužina u cm (m), h je Planckova konstantan, jednak erg. sec (), m - masa čestice u g (kg), - brzina čestice, u cm / sec.
Iz ove jednačine se može vidjeti da čestica u mirovanju mora imati beskonačno dugu valnu dužinu i da se valna dužina smanjuje sa povećanjem brzine čestice. Talasna dužina pokretne čestice velike mase je vrlo mala i još se ne može eksperimentalno odrediti. Dakle, govorimo o valnim svojstvima samo mikročestica. Elektron ima valna svojstva. To znači da se njegovo kretanje u atomu može opisati talasnom jednačinom.
Planetarni model strukture atoma vodika, koji je kreirao N. Bohr, koji je polazio od koncepta elektrona samo kao klasične čestice, ne može objasniti niz svojstava elektrona. Kvantna mehanika je pokazala da ideju o kretanju elektrona oko jezgra u određenim orbitama, poput kretanja planeta oko Sunca, treba smatrati neodrživom.
Elektron, koji ima svojstva vala, kreće se po cijelom volumenu, formirajući elektronski oblak, koji za elektrone u jednom atomu može imati drugačiji oblik. gustina ovog elektronskog oblaka u jednom ili drugom dijelu atomskog volumena nije ista.

Karakterizacija elektrona pomoću četiri kvantna broja.

Glavna karakteristika koja određuje kretanje elektrona u polju jezgra je njegova energija. Energija elektrona, kao i energija čestice svjetlosnog toka - fotona, ne uzima nikakve, već samo određene diskretne, diskontinuirane ili, kako se kaže, kvantizirane vrijednosti.
Pokretni elektron ima tri stepena slobode kretanja u prostoru (što odgovara tri koordinatne ose) i jedan dodatni stepen slobode zbog prisustva sopstvenih mehaničkih i magnetnih momenata elektrona, koji uzimaju u obzir rotaciju elektrona oko njegove ose. . Stoga je za potpunu energetsku karakteristiku stanja elektrona u atomu potrebno i dovoljno imati četiri parametra. Ovi parametri se nazivaju kvantni brojevi. Kvantni brojevi, kao i energija elektrona, mogu poprimiti ne sve, već samo određene vrijednosti. Susjedne vrijednosti kvantnih brojeva razlikuju se za jedan.

Glavni kvantni broj n karakterizira ukupnu energiju elektrona ili njegov energetski nivo. Glavni kvantni broj može imati vrijednosti cijelih brojeva od 1 do . Za elektron koji se nalazi u polju jezgra, glavni kvantni broj može imati vrijednosti od 1 do 7 (što odgovara broju perioda u periodičnom sistemu u kojem se element nalazi). Energetski nivoi su označeni ili brojevima u skladu sa vrijednostima glavnog kvantnog broja, ili slovima:

P
Oznaka nivoa

Ako je, na primjer, n=4, tada je elektron na četvrtom energetskom nivou, računajući od jezgra atoma, ili na nivou N.

Orbitalni kvantni broj l, koji se ponekad naziva i bočni kvantni broj, karakterizira različito energetsko stanje elektrona datog nivoa. Fina struktura spektralnih linija ukazuje da su elektroni svakog energetskog nivoa grupirani u podnivoe. Orbitalni kvantni broj povezan je s ugaonim momentom elektrona dok se kreće u odnosu na jezgro atoma. Orbitalni kvantni broj također određuje oblik elektronskog oblaka.Kvantni broj l može poprimiti sve cjelobrojne vrijednosti od 0 do (n-1). Na primjer, kada je n=4, l=0, 1, 2, 3. Svaka vrijednost l odgovara određenom podnivou. Za podnivoe se koriste slova. Dakle, pri l=0, 1, 2, 3 elektrona su redom na s-, p-, d-, f- podnivoima. Elektroni različitih podnivoa nazivaju se s-, p-, d-, f - elektroni. Mogući broj podnivoa za svaki energetski nivo jednak je broju ovog nivoa, ali ne prelazi četiri. Prvi energetski nivo (n=1) sastoji se od jednog s-podnivoa, drugi (n=2), treći (n=3) i četvrti (n=4) energetski nivo se sastoji od dva (s, p), tri (s , p, d) i četiri (s, p, d, f) podnivoa. Ne može biti više od četiri podnivoa, jer vrijednosti l=0, 1, 2, 3 opisuju elektrone atoma svih 104 elementa koja su sada poznata.
Ako je l=0 (s-elektroni), tada je ugaoni impuls elektrona u odnosu na jezgro atoma jednak nuli. To se može dogoditi samo kada se elektron ne kreće naprijed translatorno oko jezgra, već od jezgra do periferije i nazad. Elektronski oblak s-elektrona je sfernog oblika.

Magnetski kvantni broj- njegov magnetni moment je takođe povezan sa ugaonim momentom elektrona. Magnetski kvantni broj karakterizira magnetni moment elektrona. magnetni kvantni broj karakterizira magnetni moment elektrona i ukazuje na orijentaciju elektronskog oblaka u odnosu na odabrani smjer ili u odnosu na smjer magnetskog polja. Magnetski kvantni broj može poprimiti bilo koje cjelobrojne pozitivne i negativne vrijednosti, uključujući nulu, u rasponu od – l do + l. Na primjer, ako je l=2, onda ima 2 l+1=5 vrijednosti (-2, -1, 0, +1, +2). Sa l=3, broj vrijednosti je 2 l+1=7 (-3, -2, -1, 0, +1, +2, +3). Broj vrijednosti magnetskog kvantnog broja, koji je jednak 2 l + 1, je broj energetskih stanja u kojima mogu biti elektroni datog podnivoa. Dakle, s-elektroni imaju samo jedno stanje (2 l+1=1), p-elektroni imaju 3 stanja (2 l+1=3), d-, f-elektroni imaju 5 odnosno 7 stanja. Energetska stanja se obično šematski označavaju energetskim ćelijama, prikazujući ih kao pravokutnike, a elektrone kao strelice u tim ćelijama.

Spin kvantni broj- karakteriše unutrašnje kretanje elektrona - spin. Povezan je sa sopstvenim magnetnim momentom elektrona, zbog njegovog kretanja oko svoje ose. Ovaj kvantni broj može imati samo dvije vrijednosti: + 1/2 i -1/2, u zavisnosti od toga da li je magnetno polje spina elektrona orijentisano paralelno ili antiparalelno magnetskom polju zbog kretanja elektrona oko jezgra.
Dva elektrona (par) s istim vrijednostima kvantnih brojeva: n, I, ali sa suprotno usmjerenim okretima (↓) nazivaju se upareni ili usamljeni par elektrona. Elektroni sa nezasićenim spinovima () nazivaju se nespareni.

Paulijev princip, princip najmanje energije, Hundovo pravilo.
Raspodjela elektrona u atomima elemenata određena je s tri glavne odredbe: Paulijevim principom, principom najmanje energije i Hundovim pravilom.

Paulijev princip. Proučavajući brojne spektre atoma, švicarski fizičar W. Pauli je 1925. došao do zaključka, koji je nazvan Paulijevim principom ili zabranom: možda čak dva elektrona sa istim vrijednostima sva četiri kvantna broja." Energetska stanja elektrona, karakterizirana istim vrijednostima tri kvantna broja: n, I i m1, obično se označavaju energetskom ćelijom.
Prema Paulijevom principu, u energetskoj ćeliji mogu biti samo dva elektrona, i to sa suprotnim spinovima
Prisustvo trećeg elektrona u jednoj energetskoj ćeliji značilo bi da dva od njih imaju sva četiri kvantna broja ista. Broj mogućih stanja elektrona (sl. 4) na datom podnivou jednak je broju vrijednosti magnetnog kvantnog broja za ovaj podnivo, odnosno 21 + 1. Maksimalan broj elektrona na ovom podnivou, prema prema Paulijevom principu, biće 2 (21 + 1). Dakle, 2 elektrona su moguća na s-podnivou; p-podnivo 6 elektrona; na d-podnivou 10 elektrona; postoji 14 elektrona na f-podnivou. Broj mogućih stanja elektrona na bilo kojem nivou jednak je kvadratu glavnog kvantnog broja, a maksimalnom broju elektrona na ovom nivou

Princip najmanje energije.

Redoslijed smještaja elektrona u atomu mora odgovarati njihovoj najvećoj povezanosti sa jezgrom, tj. elektron mora imati najmanju energiju. Stoga, nije neophodno da elektron zauzima viši energetski nivo ako postoje mesta na donjem nivou gde će elektron imati nižu energiju.

Pošto je energija elektrona uglavnom određena vrijednostima glavnog n i orbitalnih/kvantnih brojeva, prvo se popunjavaju oni podnivoi za koje je zbir vrijednosti kvantnih brojeva n i / manji. Na primjer, rezerva energije na podnivou 4s(n +/ = 4 +0 = 4) je manja od 3d(n + /= 3 + 2 = 5); 5s (n + / = 5 + 0 = 5) manje od 4d(n + / = 4 + 2 = 6); 5p(n + / = 5 +1 =6) manje od 4f(n + 1 = 4+3 = 7). Ako su za dva nivoa sume vrijednosti n i / jednake, tada se prvo popunjava podnivo sa manjom vrijednošću n. n, odnosno u sljedećem nizu: 3d-4p-5s.
Kada se energije bliskih podnivoa jako malo razlikuju jedna od druge, postoje neki izuzeci od ovog pravila. Dakle, 5d podnivo je ispunjen jednim elektronom 5dl prije 4f; 6d1-2 prije 5f.
Popunjavanje energetskih nivoa i podnivoa ide sljedećim redoslijedom: ls→2s→2p→3s→3p→4s→ 3d → 4r→ 5s → 4d → 5r→ 6s →(5dl) →4f→ 5d→6p→ 7s→ ( 6d1-2 )→5f→ 6d→7p

Gundovo pravilo.
Elektroni unutar datog podnivoa se prvo nalaze svaki u zasebnoj ćeliji u obliku nesparenih "praznih" elektrona. Drugim riječima, za datu vrijednost I, elektroni u atomu su raspoređeni na način da njihov ukupni spin Na primjer, ako su tri elektrona, onda će svaki od njih biti smješten u zasebnoj ćeliji na ovaj način:

Elektronske formule atoma i šeme.

Uzimajući u obzir gore navedene odredbe, lako je zamisliti raspodjelu elektrona po energetskim razinama i podnivoima u atomima bilo kojeg elementa. Ova raspodjela elektrona u atomu zapisana je u obliku takozvanih elektronskih formula. U elektronskim formulama, slova s, p, d, f označavaju energetske podnivoe elektrona; brojevi ispred slova označavaju energetski nivo na kojem se nalazi dati elektron, a indeks u gornjem desnom uglu je broj elektrona u ovom podnivou. Na primjer, pisanje 5p3 znači da se 3 elektrona nalaze u p-podnivou petog energetskog nivoa.
Da biste sastavili elektronsku formulu atoma bilo kojeg elementa, dovoljno je znati broj ovog elementa u periodnom sistemu i ispuniti osnovne odredbe koje reguliraju raspodjelu elektrona u atomu.
Neka, na primjer, trebate napraviti elektronske formule za atome sumpora, kalcija, skandijuma, željeza i lantana. Iz periodnog sistema određujemo brojeve ovih elemenata, koji su redom jednaki 16, 20, 21, 26,. To znači da na energetskim nivoima i podnivoima atomi ovih elemenata sadrže 16, 20, 21, 26, 57 elektrona, respektivno. Prateći Paulijev princip i princip najmanje energije, odnosno redoslijeda punjenja energetskih nivoa i podnivoa, mogu se sastaviti elektronske formule atoma ovih elemenata:

Struktura elektronske ljuske atoma također se može prikazati u obliku rasporeda elektrona u energetskim ćelijama.
Za atome željeza, takva shema ima sljedeći oblik:

Ovaj dijagram jasno pokazuje implementaciju Hundovog pravila. Na 3d podnivou, maksimalni broj ćelija (četiri) je ispunjen nesparenim elektronima. Slika strukture elektronske ljuske u atomu u obliku elektronskih formula i u obliku dijagrama ne odražava jasno valna svojstva elektrona. Međutim, treba imati na umu da svaki s-, p-, d-, f-elektron ima svoj elektronski oblak. Različiti oblik elektronskog oblaka ukazuje na to da elektron ima različitu vjerovatnoću da bude u datom području atomskog prostora. U zavisnosti od vrednosti magnetnog kvantnog broja m1, orijentacija elektronskog oblaka u prostoru će takođe biti različita.

Elektron je elementarna čestica, koja je jedna od glavnih jedinica u strukturi materije. Naboj elektrona je negativan. Najpreciznija mjerenja su početkom dvadesetog vijeka izvršili Millikan i Ioffe.

Naelektrisanje elektrona je minus 1,602176487 (40) * 10 -1 9 C.

Preko ove vrijednosti se mjeri električni naboj ostalih najmanjih čestica.

Opšti koncept elektrona

U fizici čestica se kaže da je elektron nedjeljiv i da nema strukturu. Uključen je u elektromagnetne i gravitacione procese, pripada grupi leptona, baš kao i njegova antičestica, pozitron. Među ostalim leptonima, ima najmanju težinu. Ako se elektroni i pozitroni sudare, to dovodi do njihove anihilacije. Takav par može nastati iz gama-kvanta čestica.

Prije mjerenja neutrina, elektron se smatrao najlakšom česticom. U kvantnoj mehanici se naziva fermioni. Elektron takođe ima magnetni moment. Ako se na njega odnosi i pozitron, onda se pozitron izdvaja kao pozitivno nabijena čestica, a elektron se naziva negatron, kao čestica s negativnim nabojem.

Individualna svojstva elektrona

Elektroni pripadaju prvoj generaciji leptona, sa svojstvima čestica i talasa. Svaki od njih je obdaren kvantnim stanjem, koje se određuje mjerenjem energije, orijentacije spina i drugih parametara. Svoju pripadnost fermionima otkriva kroz nemogućnost da dva elektrona budu u istom kvantnom stanju u isto vrijeme (prema Paulijevom principu).

Proučava se na isti način kao i kvazičestica u periodičnom kristalnom potencijalu, u kojem se efektivna masa može značajno razlikovati od mase u mirovanju.

Kroz kretanje elektrona nastaju električna struja, magnetizam i termo EMF. Naboj elektrona u kretanju formira magnetsko polje. Međutim, vanjsko magnetsko polje odbija česticu iz pravog smjera. Kada se ubrza, elektron stječe sposobnost da apsorbira ili emituje energiju kao foton. Njegov set se sastoji od atomskih omotača elektrona, čiji broj i položaj određuju hemijska svojstva.

Atomska masa se uglavnom sastoji od nuklearnih protona i neutrona, dok masa elektrona iznosi oko 0,06% ukupne atomske težine. Kulonova električna sila je jedna od glavnih sila koja može držati elektron blizu jezgra. Ali kada se od atoma stvore molekule i nastanu hemijske veze, elektroni se redistribuiraju u novom formiranom prostoru.

Nukleoni i hadroni su uključeni u pojavu elektrona. Izotopi sa radioaktivnim svojstvima su sposobni da emituju elektrone. U laboratorijskim uslovima, ove čestice se mogu proučavati u posebnim instrumentima, a, na primer, teleskopi mogu detektovati zračenje od njih u oblacima plazme.

Otvaranje

Elektron su otkrili njemački fizičari u devetnaestom vijeku, kada su proučavali katodna svojstva zraka. Zatim su ga drugi naučnici počeli detaljnije proučavati, dovodeći ga u rang posebne čestice. Proučavane su zračenje i druge povezane fizičke pojave.

Na primjer, grupa koju je predvodio Thomson procijenila je naboj elektrona i masu katodnih zraka, čiji omjeri, kako su saznali, ne ovise o materijalnom izvoru.
A Becquerel je otkrio da minerali sami emituju zračenje, a njihovi beta zraci mogu biti odbijeni djelovanjem električnog polja, dok su masa i naboj zadržali isti omjer kao i katodni zraci.

Atomska teorija

Prema ovoj teoriji, atom se sastoji od jezgra i elektrona oko njega, raspoređenih u obliku oblaka. Oni se nalaze u nekim kvantiziranim stanjima energije, čiju promjenu prati proces apsorpcije ili emisije fotona.

Kvantna mehanika

Početkom dvadesetog veka formulisana je hipoteza prema kojoj materijalne čestice imaju svojstva i pravih čestica i talasa. Takođe, svetlost se može manifestovati u obliku talasa (naziva se de Broljev talas) i čestica (fotona).

Kao rezultat toga, formulirana je poznata Schrödingerova jednačina, koja opisuje širenje elektronskih valova. Ovaj pristup se naziva kvantna mehanika. Korišćen je za izračunavanje elektronskih stanja energije u atomu vodika.

Osnovna i kvantna svojstva elektrona

Čestica pokazuje fundamentalna i kvantna svojstva.

Osnovni uključuju masu (9,109 * 10 -31 kilogram), elementarni električni naboj (to jest, minimalni dio naboja). Prema do sada obavljenim mjerenjima, u elektronu nisu pronađeni elementi koji bi mogli otkriti njegovu podstrukturu. Ali neki naučnici smatraju da je to čestica tačkasto naelektrisana. Kao što je navedeno na početku članka, elektronski električni naboj je -1,602 * 10 -19 C.

Budući da je čestica, elektron može istovremeno biti i talas. Eksperiment sa dva proreza potvrđuje mogućnost njegovog istovremenog prolaska kroz oba. Ovo je u sukobu sa svojstvima čestice, gdje je svaki put moguće proći samo kroz jedan prorez.

Smatra se da elektroni imaju ista fizička svojstva. Stoga njihova permutacija, sa stanovišta kvantne mehanike, ne dovodi do promjene stanja sistema. Valna funkcija elektrona je antisimetrična. Stoga, njegova rješenja nestaju kada identični elektroni uđu u isto kvantno stanje (Paulijev princip).

Elektron (elementarna čestica)

Ovaj članak je napisao Vladimir Gorunovich za sajt "Wikiknowledge", pod naslovom "Elektron u teoriji polja", postavljen na ovom sajtu u cilju zaštite informacija od vandala, a zatim dopunjen na ovom sajtu.

Teorija polja elementarnih čestica, koja djeluje u okviru NAUKE, oslanja se na temelje koje je dokazala FIZIKA:

klasična elektrodinamika,
kvantna mehanika,
Zakoni održanja su fundamentalni zakoni fizike.

Ovo je fundamentalna razlika između naučnog pristupa koji koristi teorija polja elementarnih čestica - prava teorija mora striktno djelovati u okviru zakona prirode: to je ono što je NAUKA.

Koristiti elementarne čestice koje ne postoje u prirodi, izmišljati fundamentalne interakcije koje ne postoje u prirodi, ili zamijeniti interakcije koje postoje u prirodi fantastičnim interakcijama, zanemariti zakone prirode, vršeći matematičke manipulacije na njima (stvarajući pojava nauke) - to je dio BAJKI koje se maskiraju u nauku. Kao rezultat toga, fizika je skliznula u svijet matematičkih bajki.

1 Elektronski radijus
2 Elektronsko električno polje
3 Elektronski magnetni moment
4 Masa mirovanja elektrona
5 Nova fizika: Elektron (elementarna čestica) - rezultat

Elektron(eng. Electron) - najlakša elementarna čestica sa električnim nabojem. Kvantni broj L=1/2 (spin = 1/2) - grupa leptona, podgrupa elektrona, električni naboj -e (sistematizacija prema teoriji polja elementarnih čestica). Stabilnost elektrona je zbog prisustva električnog naboja, u odsustvu kojeg bi se elektron raspao slično mionskom neutrinu.

Prema teoriji polja elementarnih čestica, elektron se sastoji od rotirajućeg polariziranog naizmjeničnog elektromagnetnog polja sa konstantnom komponentom.

Struktura elektromagnetnog polja elektrona(E-konstantno električno polje, H-konstantno magnetsko polje, žuta boja označava naizmjenično elektromagnetno polje)

Energetski bilans (procenat ukupne unutrašnje energije):

konstantno električno polje (E) - 0,75%,
permanentno magnetno polje (H) - 1,8%,
naizmenično elektromagnetno polje - 97,45%.

Ovo objašnjava izražena valna svojstva elektrona i njegovu nespremnost da učestvuje u nuklearnim interakcijama. Struktura elektrona je prikazana na slici.

1 Elektronski radijus

Radijus elektrona (udaljenost od centra čestice do mjesta na kojem se postiže maksimalna gustina mase) određuje se formulom:

jednako 1,98 ∙10 -11 cm.

Zauzeto elektronom, određeno formulom:

je jednako 3,96 ∙10 -11 cm Poluprečnik prstenastog područja koji zauzima naizmjenično elektromagnetno polje elektrona dodat je vrijednosti r 0~. Mora se imati na umu da je dio vrijednosti mase mirovanja, koncentriran u konstantnim (električnim i magnetskim) poljima elektrona, izvan ovog područja, u skladu sa zakonima elektrodinamike.

Elektron je veći od bilo kojeg atomskog jezgra, stoga ne može biti prisutan u atomskim jezgrama, već se rađa u procesu raspada neutrona, kao što se pozitron rađa u procesu raspada u jezgri protona.

Tvrdnje da je radijus elektrona oko 10 -16 cm su neutemeljene i kontradiktorne su klasičnoj elektrodinamici. Sa takvim linearnim dimenzijama, elektron mora biti teži od protona.

2 Elektronsko električno polje

Električno polje elektrona sastoji se od dva regiona: spoljašnjeg regiona sa negativnim nabojem i unutrašnjeg regiona sa pozitivnim nabojem. Veličina unutrašnje regije određena je radijusom elektrona. Razlika između naboja vanjskog i unutrašnjeg područja određuje ukupni električni naboj elektrona -e. Njegova kvantizacija se zasniva na geometriji i strukturi elementarnih čestica.

električno polje elektrona u tački (A) u dalekoj zoni (r>> r e) tačno u SI sistemu je:

električno polje elektrona u dalekoj zoni (r > > r e) tačno, u SI sistemu je jednako:

gdje n= r/|r| - jedinični vektor od centra elektrona u pravcu tačke posmatranja (A), r - udaljenost od centra elektrona do tačke posmatranja, e - elementarni električni naboj, vektori su podebljani, ε 0 - električni konstanta, re \u003d Lħ / (m 0~ c ) je polumjer elektrona u teoriji polja, L je glavni kvantni broj elektrona u teoriji polja, ħ je Planckova konstanta, m 0~ je masa elektron koji miruje u naizmjeničnom elektromagnetnom polju, c je brzina svjetlosti. (U CGS sistemu nema množitelja.)

Ovi matematički izrazi su tačni za dalju zonu električnog polja elektrona: (r>>re), a tvrdnje da "električno polje elektrona ostaje Coulomb do udaljenosti od 10 -16 cm" nemaju nikakve veze sa stvarnošću. - ovo je jedna od bajki koja je u suprotnosti sa klasičnom elektrodinamikom.

Prema teoriji polja elementarnih čestica, konstantno električno polje elementarnih čestica s kvantnim brojem L>0, nabijenih i neutralnih, stvara konstantna komponenta elektromagnetnog polja odgovarajuće elementarne čestice. A polje električnog naboja nastaje kao rezultat prisutnosti asimetrije između vanjske i unutrašnje hemisfere, stvarajući električna polja suprotnih predznaka. Za nabijene elementarne čestice u dalekoj zoni stvara se polje elementarnog električnog naboja, a predznak električnog naboja je određen predznakom električnog polja koje stvara vanjska hemisfera.U bližoj zoni ovo polje ima složene strukture i dipol je, ali nema dipolni moment. Za približan opis ovog polja kao sistema tačkastih naelektrisanja potrebno je najmanje 6 "kvarkova" unutar elektrona - bolje je da uzmemo 8 "kvarkova". Jasno je da je to izvan okvira standardnog modela.

Elektron, kao i svaka druga nabijena elementarna čestica, ima dva električna naboja i, shodno tome, dva električna polumjera:

električni radijus vanjskog konstantnog električnog polja (naboj -1,25e) - r q- = 3,66 10 -11 cm.
električni radijus unutrašnjeg konstantnog električnog polja (naboj +0,25e) - r q+ = 3 10 -12 cm.

Ove karakteristike električnog polja elektrona odgovaraju distribuciji 1 teorije polja elementarnih čestica. Fizika još nije eksperimentalno utvrdila tačnost ove distribucije, a koja raspodjela najpreciznije odgovara stvarnoj strukturi konstantnog električnog polja elektrona u bliskoj zoni.

Električni radijus označava prosječnu lokaciju električnog naboja ravnomjerno raspoređenog po obodu, koji stvara slično električno polje. Oba električna naboja leže u istoj ravni (ravnina rotacije promjenljivog elektromagnetnog polja elementarne čestice) i imaju zajednički centar koji se poklapa sa centrom rotacije promjenljivog elektromagnetnog polja elementarne čestice.

Intenzitet E električnog polja elektrona u bliskoj zoni(r ~ r e), u SI sistemu, kao vektorski zbroj, približno je jednak:

gdje n-=r-/r - jedinični vektor iz bliske (1) ili dalje (2) tačke naelektrisanja q - elektron u pravcu tačke posmatranja (A), n+=r+/r - jedinični vektor od bliske (1) ili dalje (2) tačke naelektrisanja q + elektron u pravcu tačke posmatranja (A), r - udaljenost od centra elektrona do projekcije tačke posmatranja na ravan elektrona, q - - spoljašnji električni naboj -1,25 e, q + - unutrašnji električni naboj +0,25e, vektori su podebljani, ε 0 - električna konstanta, z - visina tačke posmatranja (A) (udaljenost od tačke posmatranja do ravan elektrona), r 0 - parametar normalizacije. (U CGS sistemu nema množitelja.)

Ovaj matematički izraz je zbir vektora i mora se izračunati prema pravilima vektorskog sabiranja, budući da je ovo polje dva distribuirana električna naboja (q - = -1,25e i q + = +0,25e). Prvi i treći član odgovaraju bliskim tačkama naboja, drugi i četvrti - udaljenim. Ovaj matematički izraz ne radi u unutrašnjem (prstenu) području elektrona, koji generiše njegova konstantna polja (ako su dva uslova istovremeno ispunjena: r

Potencijal električnog polja elektrona u tački (A) u bliskoj zoni(r ~ r e), u SI sistemu je približno jednako:

gdje je r 0 normalizacijski parametar, čija se vrijednost može razlikovati od formule E. (U CGS sistemu nema množitelja.) Ovaj matematički izraz ne radi u unutrašnjem (prstenu) području elektrona, koji generiše njegova konstantna polja (ako su oba uslova istovremeno ispunjena: r

Kalibracija r 0 za oba izraza bliske zone mora se izvršiti na granici područja koje generiše konstantna elektronska polja.

3 Elektronski magnetni moment

Za razliku od kvantne teorije, teorija polja elementarnih čestica kaže da magnetna polja elementarnih čestica ne nastaju rotacijom spina električnih naboja, već postoje istovremeno sa konstantnim električnim poljem kao konstantnom komponentom elektromagnetnog polja. Dakle, sve elementarne čestice sa kvantnim brojem L>0 imaju magnetna polja.

Budući da se vrijednosti glavnog kvantnog broja L i spina leptona poklapaju, vrijednosti magnetnih momenata nabijenih leptona u obje teorije također se mogu poklapati.

Teorija polja elementarnih čestica ne smatra da je magnetni moment elektrona anomalan – njegova vrijednost je određena skupom kvantnih brojeva u mjeri u kojoj kvantna mehanika radi u elementarnoj čestici.

Dakle, glavni magnetni moment elektrona stvara struja:

(-) sa magnetnim momentom -0,5 eħ/m 0e s

Da bi se dobio rezultujući magnetni moment elektrona, potrebno je pomnožiti sa postotkom energije naizmeničnog elektromagnetnog polja podeljenom sa 100 procenata i dodati spin komponentu (vidi izvor Teorija polja elementarnih čestica), kao rezultat dobijamo 0,5005786 eħ/m 0e c. Da bi se pretvorili u obične Bohrove magnetone, rezultirajući broj se mora pomnožiti sa dva.

4 Masa mirovanja elektrona

U skladu sa klasičnom elektrodinamikom i Einsteinovom formulom, masa mirovanja elementarnih čestica s kvantnim brojem L>0, uključujući elektron, definira se kao energetski ekvivalent njihovih elektromagnetnih polja:

gdje je definitivni integral uzet preko cijelog elektromagnetnog polja elementarne čestice, E je jačina električnog polja, H je jačina magnetnog polja. Ovdje se uzimaju u obzir sve komponente elektromagnetnog polja: konstantno električno polje, konstantno magnetsko polje, naizmjenično elektromagnetno polje.

Kao što slijedi iz gornje formule, vrijednost mase mirovanja elektrona zavisi od uslova u kojima se elektron nalazi. Dakle, postavljanjem elektrona u konstantno vanjsko električno polje, utjecat ćemo na E 2 , što će se odraziti na masu čestice. Slična situacija će nastati kada se elektron stavi u konstantno magnetsko polje.

5 Nova fizika: Elektron (elementarna čestica) - rezultat

Pred vama se otvorio novi svijet - svijet dipolnih polja u čije postojanje fizika 20. vijeka nije sumnjala. Vidjeli ste da elektron nema jedan, već dva električna naboja (vanjski i unutrašnji) i njihova odgovarajuća dva električna polumjera. Vidjeli ste da su linearne dimenzije elektrona mnogo veće od linearnih dimenzija protona. Vidjeli ste šta čini masu mirovanja elektrona i da imaginarni Higsov bozon nije radio (odluke Nobelovog komiteta još nisu zakoni prirode...). Štaviše, veličina mase zavisi od polja u kojima se elektron nalazi. Sve ovo prevazilazi koncepte koji su dominirali fizikom u drugoj polovini dvadesetog veka. - Fizika 21. veka - Nova fizika prelazi na novi nivo znanja o materiji.

Vladimir Gorunovich


FIZIČKE OSNOVE RADA IONIKA
I POLUVODIČKI UREĐAJI
1.1. Svojstva elektrona
Električno polje u elektronskim uređajima ubrzava ili vrti-
izaziva kretanje elektrona. Neka se elektron e nalazi u
jačina električnog polja E , sila F djeluje (slika 1.1)
	F = −eE,
usmjerena protiv jačine polja.
Prema drugom Newtonovom zakonu, sila F jednaka je proizvodu
masa elektrona m ubrzanjem a, koje elektronu daje sila F
u polju intenziteta E:
F = ma.
Iz (1.1) i (1.2) ubrzanje električnog

a = E e ,

iz jednačine (1.3) se vidi da c
promjenom napona električne		Rice. 1.1. Elektron u homogeni
promjene polja se ubrzavaju		električno polje
nielektron. Osim toga, priložiti-
na ušću sile polja u pravcu početne brzine v 0			elektron
kreće se brzo i postiže najveću brzinu i kinetiku
kal energije na kraju svog puta.
Nalazimo brzinu v elektrona na osnovu poznatih pozicija
fizike. Prvo, rad sila polja na kretanje elektriciteta

ron od tačke A do tačke B je proizvod naelektrisanja
elektrona e na razlici potencijala ovih tačaka:
W e \u003d (− e) (U A − U B).
Pošto je U B > U A, onda
	U A − U B = − U .
Stoga, radi
We = (e)(− U ) = eU.
Drugo, prema zakonu održanja energije, rad koji smo potrošili
polje na kretanje elektrona jednako je prirastu kinetičke
neto energija elektrona koji se kreće u električnom polju:
W = m (v 2 − v 2 ) / 2 .

Uzimajući početnu brzinu v 0 = 0, iz (5) nalazimo vrijednost
konačna brzina elektrona
	2 We =	2 U e .

Brzina elektrona u elektronskim uređajima je mnogo manja
manji od brzine svjetlosti, pa je omjer vrijednosti e /m ≈ e /m 0


	v ≈ 600
Iz (1.9) se može vidjeti da je brzina elektrona u električnoj
polje (km/s) zavisi samo od potencijalne razlike između
početne i krajnje tačke putanje koje pređe elektron, i
ne zavisi od oblika staze. Ponekad se brzina elektrona mjeri u
volti. Na primjer: brzina elektrona je 100 V. To znači da je električna
tron je postigao ovu brzinu prolazeći kroz potencijalnu razliku od 100 V.
Ako elektron krene svoje kretanje iz stanja mirovanja, on
kretat će se ravnomjerno ubrzano, pravolinijski protiv sile
linije električnog polja koje apsorbuju energiju iz polja. Električni
Magnetno polje za elektron se ubrzava.
Ako se početna brzina poklapa sa smjerom sile
linije električnog polja, takvo polje za elektron je a
stenjanje. Brzina elektrona će se smanjiti, energija električne energije
rone će se također smanjiti (biće vraćeno u polje). Ako

dozvoliti veličinu polja, elektron će se zaustaviti, a zatim početi da se kreće protiv linija sile ovog polja.

Ako je početna brzina usmjerena protiv linija sile električnog polja, takvo polje za elektron se ubrzava. Električno polje pomiče pozitivne naboje u smjeru linija sile polja.

1.2. Vrste elektronske emisije

Fenomen emisije elektrona sa površine čvrstog tijela naziva se emisija elektrona, a izvor elektrona emiter. Ovisno o metodama vanjskog energetskog utjecaja na elektrone zbog kojih oni napuštaju emiter, postoji nekoliko vrsta elektronske emisije.

Termionska emisija nastaje kao rezultat zagrijavanja emitera. Sa povećanjem temperature dolazi do termičkih vibracija čvrste rešetke. Zbog ove energije termičke pobude, neki od elektrona napuštaju emiter, formirajući emisionu struju. Što je temperatura emitera viša, to više elektrona dobija takvu energiju, zbog čega se povećava termoionska emisiona struja. Minimalna temperatura na kojoj se javlja emisiona struja naziva se kritična. Zavisi od materijala emitera.

Sekundarna elektronska emisija - emisija sekundarnih elektrificiranih

elektrona sa površine emitera kada je ozračen strujom primarnih elektrona. Primarni tok elektrona koji pada na sekundarni emiter dijelom se odbija od njegove površine, a dijelom prodire duboko u nju. Ovdje se primarni elektroni sudaraju s elektronima kristalne rešetke emitera, daju im dio svoje energije, pobuđujući ih. Dio pobuđenih elektrona odlazi u vanjsko okruženje, ti elektroni su sekundarni.

Elektrostatička elektronska emisija (autoelektronska)

nastaje s površine čvrstog ili tekućeg tijela pod djelovanjem vanjskog ubrzavajućeg električnog polja visokog intenziteta (107 V/m). Što je jačina polja veća, to je veća struja emisije polja.

Fotoelektronska emisija nastaje kada je emiter ozračen svjetlosnim tokom. Efikasnost ove vrste emisije zavisi od talasne dužine (inverzna zavisnost) i od veličine svetlosnog toka (direktna zavisnost).

Na osnovu zakona elektrolize koje je ustanovio M. Faraday, irski naučnik D. Stoney iznio je hipotezu da unutar atoma postoji elementarni naboj. A 1891. Stoney je predložio da se ovo naelektrisanje nazove elektronom. Naboj elektrona se često označava sa e ili .

Zakoni elektrolize još uvijek nisu dokaz postojanja elektrona kao elementarnog električnog naboja. Dakle, postojalo je mišljenje da svi monovalentni ioni mogu imati različite naboje, a njihova prosječna vrijednost je jednaka naboju elektrona. Da bi se dokazalo postojanje elementarnog naboja u prirodi, bilo je potrebno izmjeriti naboje pojedinih jona, a ne ukupnu količinu električne energije. Osim toga, ostalo je otvoreno pitanje da li je naboj povezan s bilo kojom česticom materije. Značajan doprinos rješavanju ovih pitanja dali su J. Perrin i J. Thomson. Istraživali su zakone kretanja čestica katodnih zraka u električnim i magnetskim poljima. Perrin je pokazao da su katodne zrake tok čestica koje nose negativan naboj. Thomson je otkrio da sve ove čestice imaju jednak omjer naboja i mase:

Osim toga, Thomson je pokazao da je za različite plinove omjer čestica katodnih zraka isti, te da ne ovisi o materijalu od kojeg je katoda napravljena. Iz ovoga bi se moglo zaključiti da su čestice koje čine atome različitih elemenata iste. Sam Thomson je zaključio da su atomi djeljivi. Iz atoma bilo koje tvari mogu se izvući čestice s negativnim nabojem i vrlo malom masom. Sve ove čestice imaju istu masu i isti naboj. Takve čestice se nazivaju elektroni.

Eksperimenti Millikana i Ioffea

Američki naučnik R. Milliken je eksperimentalno dokazao da elementarni naboj postoji. U svojim eksperimentima mjerio je brzinu kapljica ulja u jednoličnom električnom polju, koje je stvoreno između dvije električne ploče. Kap je nabijena kada se sudarila sa jonom. Uporedili smo brzine kapi bez naboja i iste kapi nakon sudara sa jonom (stečenim naelektrisanjem). Znajući jačinu polja između ploča, izračunat je naboj kapi.

Millikanove eksperimente ponovio je A.F. Ioffe. Koristio je metalne komadiće umjesto uljnih kapi. Promjenom jačine polja između ploča Ioffe je postigao jednakost između sile gravitacije i Kulonove sile, dok je čestica prašine ostala nepomična. Zrno prašine bilo je osvijetljeno ultraljubičastim svjetlom. Istovremeno se promijenio njegov naboj; da bi se uravnotežila sila gravitacije, bilo je potrebno promijeniti jačinu polja. Prema dobijenim vrijednostima intenziteta, naučnik je procijenio omjer električnih naboja čestice prašine.

U eksperimentima Millikana i Ioffea pokazalo se da se naboji čestica prašine i kapi uvijek naglo mijenjaju. Minimalna promjena naknade bila je:

Električni naboj bilo kojeg nabijenog tijela jednak je cijelom broju i višekratnik je naboja elektrona. Sada postoji mišljenje da postoje elementarne čestice - kvarkovi, koji imaju frakcijski naboj ().

Dakle, naboj elektrona se smatra jednakim:

Primjeri rješavanja problema

PRIMJER 1

Zadatak

U ravnom kondenzatoru, čija je udaljenost između ploča jednaka d, kap ulja je nepomična, njena masa je m. Koliko je viška elektrona na njemu ako je razlika potencijala između ploča U?

Rješenje

U ovom problemu razmatra se analog Millikanovog eksperimenta. Na kap ulja djeluju dvije sile koje se međusobno poništavaju. To su gravitacija i Kulonova sila (slika 1).

Pošto se polje unutar ravnog kondenzatora može smatrati homogenim, imamo:

gdje je E jačina elektrostatičkog polja u kondenzatoru.

Veličina elektrostatičke sile može se naći kao:

Pošto je čestica u ravnoteži i ne kreće se, onda prema drugom Newtonovom zakonu dobijamo:

Iz formule (1.3) izražavamo naboj čestice:

Znajući vrijednost naboja elektrona (), broj suvišnih elektrona (koji stvaraju naboj kapi), nalazimo kao:

Odgovori

PRIMJER 2