Az anyag szerkezete.

Az atom szerkezete.

Az atom a kémiai elem legkisebb részecskéje, minden kémiai tulajdonságának hordozója. Az atom kémiailag oszthatatlan. Az atomok létezhetnek szabad állapotban és ugyanazon vagy egy másik elem atomjaival kombinálva.
Az atom- és molekulatömeg mértékegysége jelenleg egy 12-es atomtömegű szénatom tömegének 1/12-e (izotóp). Ezt az egységet szénegységnek nevezik.

Az atomok tömege és mérete. Avogadro száma.

Egy grammatom, valamint bármely anyag gramm molekulája 6,023 10^23 atomot vagy molekulát tartalmaz. Ezt a számot Avogadro-számnak (N0) hívják. Tehát 55,85 g vasban, 63,54 g rézben, 29,98 g alumíniumban stb. annyi atom van, mint Avogadro szám.
Az Avogadro-szám ismeretében könnyen kiszámítható bármely elem egy atomjának tömege. Ehhez egy atom grammatomos tömegét el kell osztani 6,023 10^23-mal. Tehát a hidrogénatom tömege (1) és a szénatom tömege (2) egyenlő:

Az Avogadro-szám alapján egy atom térfogatát is meg lehet becsülni. Például a réz sűrűsége 8,92 g / cm ^ 3, a grammatomtömege pedig 63,54 g. Ezért egy gramm atomnyi réz foglalja el a térfogatot , és egy rézatomnak van térfogata .

Az atomok szerkezete.

Az atom összetett képződmény, és számos kisebb részecskéből áll. Az összes elem atomja pozitív töltésű magból és elektronokból áll - nagyon kis tömegű negatív töltésű részecskékből. Az atommag az atom teljes térfogatának elhanyagolható részét foglalja el. Az atom átmérője cm, az atommag átmérője cm.
Bár az atommag átmérője 100 000-szer kisebb, mint magának az atomnak az átmérője, gyakorlatilag az atom teljes tömege a magjában koncentrálódik. Ebből következik, hogy az atommagok sűrűsége nagyon nagy. Ha össze lehetne gyűjteni 1 cm3 atommagot, akkor a tömege körülbelül 116 millió tonna lenne.
Az atommag protonokból és neutronokból áll. Ezeknek a részecskéknek van egy közös neve - nukleonok.
Proton- - szénegységhez közeli tömegű stabil elemi részecske. A proton töltése megegyezik az elektróda töltésével, de ellenkező előjellel. Ha egy elektron töltését -1-nek vesszük, akkor a proton töltése +1. A proton egy hidrogénatom elektron nélkül.
Neutron- atomi héj, amelynek negatív töltése a benne lévő protonok miatt kompenzálja az atommag pozitív töltését.
Így az atomban lévő elektronok száma megegyezik az atommagjában lévő protonok számával.
A protonok száma, a neutronok száma és az atom tömegszáma közötti összefüggést a következő egyenlet fejezi ki: N=A-Z
Ezért bármely elem atommagjában a neutronok száma megegyezik a tömegszám és a protonok számának különbségével.
Tehát a neutronok száma egy 226 tömegű rádium atom magjában N=A-Z=226-88=138

Az elektron tömege és töltése.

A kémiai vegyületek képződésének és megsemmisítésének minden kémiai folyamata anélkül megy végbe, hogy megváltozna az ezeket a vegyületeket alkotó elemek atommagjai. Csak az elektronhéjak változnak. A kémiai energia tehát összefügg az elektronok energiájával. Ahhoz, hogy megértsük a kémiai vegyületek képződésének és lebomlásának folyamatát, ismernünk kell az elektron tulajdonságait általában, és különösen az atomban lévő elektron tulajdonságait és viselkedését.
Elektron- ez egy elemi részecske, amely elemi negatív elektromos töltéssel rendelkezik, vagyis a létező legkisebb elektromosság. Egy elektron töltése egyenlő el. Művészet. egységek vagy medál. Az elektron nyugalmi tömege egyenlő r-rel, azaz. 1837,14-szer kisebb, mint a hidrogénatom tömege. Az elektron tömege egy szénegység.

Az atom Bohr-modellje.

A 20. század elején M. Planck A. Einstein megalkotta a fény kvantumelméletét, mely szerint a fény a fényrészecskék által hordozott egyéni energiakvantumok folyama - fotonok.
Az energiakvantum értéke(E) különböző sugárzások esetén, és arányos az oszcillációs frekvenciával:
,
ahol h Planck-állandó.
M. Planck kimutatta, hogy az atomok csak külön, jól meghatározott részekben nyelnek el vagy bocsátanak ki sugárzó energiát. quanta.
A klasszikus mechanika törvényét a kvantumelmélettel összekapcsolni próbálta N. Bohr dán tudós, aki úgy vélte, hogy egy elektron a hidrogénatomban csak bizonyos - állandó pályákon lehet, amelyek sugarai egész számok négyzeteiként viszonyulnak egymáshoz. Ezeket a pályákat N. Bohr állónak nevezte.
Energiasugárzás csak akkor következik be, ha egy elektron távolabbi pályáról az atommaghoz közelebbi pályára kerül. Amikor egy elektron egy közeli pályáról egy távolabbi pályára lép, az energiát az atom elnyeli.
, hol vannak az elektronok energiái álló állapotban.
Ha Ei > Ek, energia szabadul fel.
Ei számára< Ек энергия поглощается.
Az elektronok atomban való eloszlásának problémájának megoldása az elemek vonalspektrumának és kémiai tulajdonságaik vizsgálatán alapul. A hidrogénatom spektruma szinte teljesen megerősítette N. Bohr elméletét. A spektrumvonalak megfigyelt felhasadása többelektronos atomokban és ennek a felhasadásnak a mágneses és elektromos térben történő fokozódása azonban nem magyarázható N. Bohr elméletével.

Az elektron hullám tulajdonságai.

A klasszikus fizika törvényei szemben állnak egymással a "részecske" és a "hullám" fogalmaival. A modern fizikai elmélet, az úgynevezett kvantum, ill hullámmechanika, kimutatta, hogy a kis tömegű részecskék mozgása és kölcsönhatása - a mikrorészecskék a klasszikus mechanika törvényeitől eltérő törvények szerint mennek végbe. A mikrorészecskék egyidejűleg rendelkeznek a testek (részecskék) bizonyos tulajdonságaival és a hullámok bizonyos tulajdonságaival. Egyrészt egy elektron, proton vagy más mikrorészecske mozog és úgy viselkedik, mint egy testrész, például amikor egy másik mikrorészecskével ütközik. Másrészt, amikor egy mikrorészecske mozog, az elektromágneses hullámokra jellemző interferencia és diffrakciós jelenségek észlelhetők.
Így az elektron (valamint más mikrorészecskék) tulajdonságaiban, mozgásának törvényeiben az anyag, az anyag és a mező létének két minőségileg eltérő formájának folytonossága és összekapcsolódása nyilvánul meg. Egy mikrorészecskét nem lehet sem közönséges részecskének, sem közönséges hullámnak tekinteni. A mikrorészecskék korpuszkuláris-hullám dualizmussal rendelkeznek.
Ha az anyag és a mező kapcsolatáról beszélünk, akkor arra a következtetésre juthatunk, hogy ha minden anyagrészecske bizonyos tömegű, akkor látszólag ugyanannak a részecskének meg kell felelnie egy bizonyos hosszúságnak, hullámnak is. Felmerül a kérdés a tömeg és a hullám kapcsolatáról. 1924-ben Louis de Broglie francia fizikus azt javasolta, hogy minden mozgó elektronhoz (és általában minden mozgó anyagrészecskéhez) egy hullámfolyamat társuljon, amelynek hullámhossza , ahol a hullámhossz cm-ben (m), h a Planck-féle állandó, egyenlő erg. sec (), m - részecsketömeg g-ban (kg), - részecskesebesség, cm / s.
Ebből az egyenletből látható, hogy a nyugalmi részecske hullámhossza végtelenül hosszú kell legyen, és a hullámhossz a részecskesebesség növekedésével csökken. Egy nagy tömegű mozgó részecske hullámhossza nagyon kicsi, és kísérletileg még nem határozható meg. Ezért csak a mikrorészecskék hullámtulajdonságairól beszélünk. Az elektronnak hullámtulajdonságai vannak. Ez azt jelenti, hogy az atomban való mozgása hullámegyenlettel írható le.
A hidrogénatom szerkezetének bolygómodellje, amelyet N. Bohr alkotott meg, aki az elektronnak csak klasszikus részecskeként való felfogásából indult ki, nem tud megmagyarázni az elektron számos tulajdonságát. A kvantummechanika kimutatta, hogy az elektronok atommag körüli mozgásának gondolatát bizonyos pályákon, mint például a bolygók Nap körüli mozgását, tarthatatlannak kell tekinteni.
A hullám tulajdonságaival rendelkező elektron a teljes térfogatban mozog, és elektronfelhőt képez, amely az egyik atom elektronjai számára eltérő alakú lehet. ennek az elektronfelhőnek a sűrűsége az atomtérfogat egyik vagy másik részében nem azonos.

Egy elektron jellemzése négy kvantumszámmal.

A fő jellemző, amely meghatározza az elektron mozgását az atommag területén, az energiája. Az elektron energiája, akárcsak a fényáram részecskéjének – a fotonnak az energiája – nem vesz fel semmilyen, hanem csak bizonyos diszkrét, nem folytonos, vagy ahogy mondani szokás, kvantált értékeket.
A mozgó elektronnak három mozgásszabadsági foka van a térben (ez három koordináta tengelynek felel meg) és egy további szabadságfok az elektron saját mechanikai és mágneses momentumai miatt, amelyek figyelembe veszik az elektron tengelye körüli forgását. . Ezért az atomban lévő elektron állapotának teljes energiajellemzőjéhez négy paraméter szükséges és elegendő. Ezeket a paramétereket ún kvantumszámok. A kvantumszámok, valamint az elektron energiája nem minden, hanem csak bizonyos értéket vehet fel. A kvantumszámok szomszédos értékei eggyel különböznek.

Főkvantumszám n az elektron összenergiáját vagy energiaszintjét jellemzi. A fő kvantumszám egész számokat vehet fel 1-től ig. Az atommag területén elhelyezkedő elektron esetében a fő kvantumszám értéke 1-től 7-ig terjedhet (amely a periódus számának felel meg a periódusos rendszerben, amelyben az elem található). Az energiaszinteket vagy számokkal jelöljük a fő kvantumszám értékeinek megfelelően, vagy betűkkel:

P
Szint kijelölés

Ha például n=4, akkor az elektron az atommagtól számítva a negyedik energiaszinten, vagy az N szinten van.

Orbitális kvantumszám Az l, amelyet néha mellékkvantumszámnak is neveznek, egy adott szintű elektron eltérő energiaállapotát jellemzi. A spektrumvonalak finom szerkezete azt jelzi, hogy az egyes energiaszintek elektronjai alszintekbe csoportosulnak. A pályakvantumszám az elektron szögimpulzusához kapcsolódik, amikor az atommaghoz képest mozog. A pályakvantumszám az elektronfelhő alakját is meghatározza, az l kvantumszám 0-tól (n-1) minden egész értéket felvehet. Például, ha n=4, l=0, 1, 2, 3. Az l minden értéke egy bizonyos alszintnek felel meg. A betűket az alszintekhez használják. Tehát l=0, 1, 2, 3 elektronok rendre s-, p-, d-, f- alszinten vannak. A különböző részszintű elektronokat rendre s-, p-, d-, f - elektronoknak nevezzük. Az egyes energiaszintekhez tartozó alszintek lehetséges száma megegyezik ennek a szintnek a számával, de nem haladja meg a négyet. Az első energiaszint (n=1) egy s-alszintből áll, a második (n=2), a harmadik (n=3) és a negyedik (n=4) energiaszint rendre kettőből (s, p), három (s , p, d) és négy (s, p, d, f) alszint. Nem lehet több, mint négy alszint, mivel az l=0, 1, 2, 3 értékek mind a 104 ismert elem atomjainak elektronjait írják le.
Ha l=0 (s-elektronok), akkor az elektron szögimpulzusa az atommaghoz viszonyítva nullával egyenlő. Ez csak akkor történhet meg, ha az elektron nem transzlációs úton halad előre az atommag körül, hanem az atommagból a perifériára és vissza. Az s-elektron elektronfelhője gömb alakú.

Mágneses kvantumszám- mágneses momentuma is összefügg az elektron szögimpulzusával. A mágneses kvantumszám az elektron mágneses momentumát jellemzi. a mágneses kvantumszám az elektron mágneses momentumát jellemzi, és az elektronfelhőnek a választott irányhoz vagy a mágneses tér irányához viszonyított orientációját jelzi. A mágneses kvantumszám tetszőleges egész szám pozitív és negatív értéket vehet fel, beleértve a nullát is, – l és + l között. Például, ha l=2, akkor 2 l+1=5 értéke van (-2, -1, 0, +1, +2). L=3 esetén az értékek száma 2 l+1=7 (-3, -2, -1, 0, +1, +2, +3). A mágneses kvantumszám értékeinek száma, amely egyenlő 2 l + 1-gyel, azon energiaállapotok száma, amelyekben egy adott részszint elektronjai lehetnek. Így az s-elektronoknak csak egy állapotuk van (2 l+1=1), a p-elektronoknak 3 állapotuk van (2 l+1=3), a d-, az f-elektronoknak 5, illetve 7 állapotuk van. Az energiaállapotokat általában az energiacellák sematikusan jelölik, téglalapként, az elektronokat pedig nyilakként ábrázolva ezekben a cellákban.

Spin kvantumszám- jellemzi az elektron belső mozgását - spin. Az elektron saját mágneses momentumához kapcsolódik, a tengelye körüli mozgása miatt. Ez a kvantumszám csak két értéket vehet fel: + 1/2 és -1/2, attól függően, hogy az elektronok atommag körüli mozgása miatt az elektron spinjének mágneses tere a mágneses térrel párhuzamos vagy antiparallel irányultságú.
Két azonos kvantumszámú elektront (párt): n, I, de ellentétes irányú spinekkel (↓) páros vagy magányos elektronpárnak nevezzük. A telítetlen spinű elektronokat () páratlannak nevezzük.

Pauli-elv, a legkisebb energia elve, Hund-szabály.
Az elektronok eloszlását az elemek atomjaiban három fő rendelkezés határozza meg: a Pauli-elv, a legkisebb energia elve és a Hund-szabály.

Pauli elv. W. Pauli svájci fizikus az atomok számos spektrumát tanulmányozva arra a következtetésre jutott 1925-ben, amit Pauli-elvnek vagy tilalomnak neveztek: talán még két elektron is, amelynek mind a négy kvantumszáma azonos értékkel rendelkezik. Az elektronok energiaállapotait, amelyeket három kvantumszám azonos értékével jellemeznek: n, I és m1, általában energiacellával jelölik.
A Pauli-elv szerint egy energiacellában csak két elektron lehet, és ellentétes spinekkel
Egy harmadik elektron jelenléte egy energiacellában azt jelentené, hogy kettőnek mind a négy kvantumszáma azonos. Az elektronok lehetséges állapotainak száma (.4. ábra) egy adott alszinten megegyezik a mágneses kvantumszám értékeinek számával erre az alszintre, azaz 21 + 1. Az elektronok maximális száma ezen az alszinten, a a Pauli-elv szerint 2 (21 + 1) lesz. Így az s-alszinten 2 elektron lehetséges; p-alszint 6 elektron; a d-alszinten 10 elektron; az f-alszinten 14 elektron található. Az elektronok lehetséges állapotainak száma bármely szinten egyenlő a főkvantumszám négyzetével és az ezen a szinten lévő elektronok maximális számával

A legkisebb energia elve.

Az elektronok atomban való elhelyezési sorrendjének meg kell felelnie az atommaggal való legnagyobb kapcsolatuknak, azaz az elektronnak a legkisebb energiával kell rendelkeznie. Ezért nem szükséges, hogy egy elektron magasabb energiaszintet foglaljon el, ha az alatta lévő szinten vannak olyan helyek, ahol az elektronnak kisebb energiája lesz.

Mivel az elektron energiáját főként az n fő és a pálya/kvantumszámok értéke határozza meg, először azokat a részszinteket töltik ki, amelyeknél az n és / kvantumszámok értékeinek összege kisebb. Például az energiatartalék a 4s(n +/ = 4 +0 = 4) alszinten kisebb, mint 3d(n + /= 3 + 2 = 5); 5 s (n + / = 5 + 0 = 5) kisebb, mint 4 d (n + / = 4 + 2 = 6); 5p (n + / = 5 + 1 = 6) kisebb, mint 4f (n + 1 = 4 + 3 = 7). Ha két szinten az n és / értékek összege egyenlő, akkor először a kisebb n értékű részszint kerül kitöltésre n, azaz a következő sorrendben: 3d-4p-5s.
Amikor a közeli alszintek energiái nagyon kevéssé különböznek egymástól, van néhány kivétel ez alól a szabály alól. Így az 5d alszintet egy elektron tölti ki 5dl-rel a 4f előtt; 6d1-2 5f előtt.
Az energiaszintek és alszintek feltöltése a következő sorrendben történik: ls→2s→2p→3s→3p→4s→3d →4р→5s →4d →5р→6s →(5dl) →4f→5d→6p→7s→ ( 6d1-2 )→5f→6d→7p

Gund szabálya.
Az adott részszinten belüli elektronok először egy külön cellában helyezkednek el, párosítatlan "tétlen" elektronok formájában, vagyis egy adott I érték esetén az atomban lévő elektronok úgy vannak elrendezve, hogy az összes spinszámuk maximális legyen. Például, ha három elektron, akkor mindegyik külön cellában fog elhelyezkedni a következő módon:

Elektronikus atomképletek és sémák.

A fenti rendelkezéseket figyelembe véve könnyen elképzelhető az elektronok energiaszintek és alszintek közötti eloszlása bármely elem atomjaiban. Az elektronok atomon belüli ezen eloszlását úgynevezett elektronikus képletek formájában írják le. Az elektronikus képletekben az s, p, d, f betűk az elektronok energia-alszintjeit jelölik; a betűk előtti számok azt az energiaszintet jelzik, amelyben az adott elektron található, a jobb felső mutató pedig az ezen az alszinten lévő elektronok számát mutatja. Például az 5p3 írása azt jelenti, hogy 3 elektron található az ötödik energiaszint p-alszintjén.
Bármely elem atomjának elektronképletének összeállításához elegendő ismerni ennek az elemnek a számát a periódusos rendszerben, és teljesíteni kell azokat az alapvető rendelkezéseket, amelyek szabályozzák az elektronok eloszlását az atomban.
Hagyja például, hogy elektronikus képleteket kell készítenie a kén, kalcium, szkandium, vas és lantán atomjaira. A periódusos rendszerből meghatározzuk ezen elemek számát, amelyek rendre egyenlők 16, 20, 21, 26,. Ez azt jelenti, hogy az energiaszinteken és az alszinteken ezeknek az elemeknek az atomjai 16, 20, 21, 26, 57 elektront tartalmaznak. A Pauli-elvet és a legkisebb energia elvét, vagyis az energiaszintek és részszintek kitöltési sorrendjét betartva összeállíthatjuk ezen elemek atomjainak elektronképleteit:

Egy atom elektronhéjának szerkezete az energiacellákban lévő elektronok elrendezése formájában is ábrázolható.
A vasatomok esetében egy ilyen séma a következő formájú:

Ez a diagram jól mutatja a Hund-szabály végrehajtását. A 3d alszinten a cellák maximális száma (négy) párosítatlan elektronokkal van feltöltve. Az atomban lévő elektronhéj szerkezetének képe elektronikus képletek és diagramok formájában nem tükrözi egyértelműen az elektron hullámtulajdonságait. Nem szabad azonban elfelejteni, hogy minden s-, p-, d-, f-elektronnak megvan a maga elektronfelhője. Az elektronfelhő eltérő alakja azt jelzi, hogy az elektronnak más a valószínűsége, hogy az atom terének egy adott régiójában tartózkodik. Az m1 mágneses kvantumszám értékétől függően az elektronfelhő térbeli tájolása is eltérő lesz.

Az elektron egy elemi részecske, amely az anyag szerkezetének egyik fő egysége. Az elektron töltése negatív. A legpontosabb méréseket a huszadik század elején Millikan és Ioffe végezte.

Az elektron töltése mínusz 1,602176487 (40) * 10 -1 9 C.

Ezen az értéken keresztül mérjük a többi legkisebb részecskék elektromos töltését.

Az elektron általános fogalma

A részecskefizikában azt mondják, hogy az elektron oszthatatlan és nincs szerkezete. Részt vesz elektromágneses és gravitációs folyamatokban, a lepton csoportba tartozik, akárcsak antirészecskéje, a pozitron. A többi lepton közül ez a legkönnyebb. Ha elektronok és pozitronok ütköznek, az a megsemmisülésükhöz vezet. Ilyen pár keletkezhet a részecskék gamma-kvantumából.

A neutrínó mérése előtt az elektron volt az, amelyet a legkönnyebb részecskének tekintettek. A kvantummechanikában fermionoknak nevezik. Az elektronnak is van mágneses momentuma. Ha egy pozitront is hivatkozunk rá, akkor a pozitront pozitív töltésű részecskeként választják el, az elektront pedig negatív töltésű részecskének nevezik negatronak.

Az elektronok egyéni tulajdonságai

Az elektronok a leptonok első generációjához tartoznak, részecskék és hullámok tulajdonságaival. Mindegyikük kvantumállapottal rendelkezik, amelyet az energia, a spin orientáció és egyéb paraméterek mérése határoz meg. A fermionokhoz való tartozását azon keresztül tárja fel, hogy nem lehet egyszerre két elektron ugyanabban a kvantumállapotban (a Pauli-elv szerint).

Ugyanúgy vizsgálják, mint egy kvázirészecskét periodikus kristálypotenciálban, amelyben az effektív tömeg jelentősen eltérhet a nyugalmi tömegtől.

Az elektronok mozgása révén elektromos áram, mágnesesség és termo-EMF lép fel. A mozgásban lévő elektron töltése mágneses teret képez. A külső mágneses tér azonban eltéríti a részecskét egyenes irányból. Felgyorsításkor az elektron képessé válik az energia elnyelésére vagy kibocsátására fotonként. Készletét elektronatomhéjak alkotják, amelyek száma és elhelyezkedése határozza meg a kémiai tulajdonságokat.

Az atomtömeg főleg nukleáris protonokból és neutronokból áll, míg az elektronok tömege a teljes atomtömeg körülbelül 0,06%-a. A Coulomb elektromos erő az egyik fő erő, amely az elektront az atommag közelében tudja tartani. De amikor az atomokból molekulák jönnek létre, és kémiai kötések jönnek létre, az elektronok újra eloszlanak a kialakult új térben.

A nukleonok és a hadronok részt vesznek az elektronok megjelenésében. A radioaktív tulajdonságokkal rendelkező izotópok képesek elektronokat kibocsátani. Laboratóriumi körülmények között ezeket a részecskéket speciális műszerekkel lehet tanulmányozni, és például teleszkópok képesek kimutatni a belőlük érkező sugárzást a plazmafelhőkben.

Nyítás

Az elektront német fizikusok fedezték fel a 19. században, amikor a sugarak katódos tulajdonságait tanulmányozták. Aztán más tudósok elkezdték részletesebben tanulmányozni, és külön részecske rangra emelték. A sugárzást és más kapcsolódó fizikai jelenségeket tanulmányozták.

Egy Thomson vezette csoport például egy elektron töltését és a katódsugarak tömegét becsülte meg, amelyek aránya – mint megtudták – nem függ anyagi forrástól.
Becquerel pedig azt találta, hogy az ásványok önmagukban bocsátanak ki sugárzást, és béta sugaraik elektromos tér hatására eltéríthetők, miközben a tömeg és a töltés aránya megegyezik a katódsugarak arányával.

Atomelmélet

Ezen elmélet szerint az atom egy magból és a körülötte lévő elektronokból áll, amelyek felhő formájában vannak elrendezve. Néhány kvantált energiaállapotban vannak, amelyek változása fotonok abszorpciós vagy emissziós folyamatával jár együtt.

Kvantummechanika

A huszadik század elején megfogalmazódott egy hipotézis, amely szerint az anyagrészecskék a megfelelő részecskék és a hullámok tulajdonságaival is rendelkeznek. Ezenkívül a fény megnyilvánulhat hullám (de Broglie hullám) és részecskék (fotonok) formájában.

Ennek eredményeként megfogalmazódott a híres Schrödinger-egyenlet, amely az elektronhullámok terjedését írta le. Ezt a megközelítést kvantummechanikának nevezik. Ezt használták a hidrogénatom elektronenergia-állapotainak kiszámítására.

Az elektron alapvető és kvantumtulajdonságai

A részecske alapvető és kvantumtulajdonságokat mutat.

Az alapvetőek közé tartozik a tömeg (9,109 * 10 -31 kilogramm), az elemi elektromos töltés (vagyis a töltés minimális része). Az eddig elvégzett mérések szerint az elektronban nem található olyan elem, amely feltárhatná az alépítményét. Néhány tudós azonban azon a véleményen van, hogy ez egy ponttöltésű részecske. Ahogy a cikk elején jeleztük, az elektronikus elektromos töltés -1,602 * 10 -19 C.

Részecske lévén az elektron egyidejűleg lehet hullám is. A két réssel végzett kísérlet megerősíti annak lehetőségét, hogy mindkettőn egyidejűleg áthaladjon. Ez ütközik a részecske tulajdonságaival, ahol minden alkalommal csak egy résen lehet áthaladni.

Úgy tekintjük, hogy az elektronok azonos fizikai tulajdonságokkal rendelkeznek. Ezért ezek permutációja a kvantummechanika szempontjából nem vezet a rendszer állapotának változásához. Az elektronok hullámfüggvénye antiszimmetrikus. Ezért megoldásai eltűnnek, amikor azonos elektronok kerülnek ugyanabba a kvantumállapotba (Pauli-elv).

Elektron (elemi részecske)

Ezt a cikket Vladimir Gorunovich írta a "Wikiknowledge" webhely számára "Electron in the field theory" néven, amelyet ezen az oldalon helyeztek el, hogy megvédjék az információkat a vandáloktól, majd kiegészítették ezen az oldalon.

A TUDOMÁNY keretein belül működő elemi részecskék térelmélete a FIZIKA által bizonyított alapokra támaszkodik:

klasszikus elektrodinamika,
kvantummechanika,
A megmaradási törvények a fizika alapvető törvényei.

Ez az alapvető különbség az elemi részecskék térelmélete által használt tudományos megközelítés között - az igaz elméletnek szigorúan a természet törvényei között kell működnie: a TUDOMÁNY erről szól.

Használni a természetben nem létező elemi részecskéket, kitalálni olyan alapvető kölcsönhatásokat, amelyek a természetben nem léteznek, vagy a természetben létező kölcsönhatásokat mesés kölcsönhatásokkal helyettesíteni, figyelmen kívül hagyni a természet törvényeit, matematikai manipulációkat végezni velük (létrehozva a tudomány megjelenése) – ez a tudománynak álcázó TÜNDÉRMESE. Ennek eredményeként a fizika becsúszott a matematikai mesék világába.

1 elektronsugár
2 Elektron elektromos tér
3 Elektronmágneses momentum
4 Egy elektron nyugalmi tömege
5 Új fizika: Elektron (elemi részecske) - eredmény

Elektron(Eng. Electron) - a legkönnyebb elemi részecske elektromos töltéssel. Kvantumszám L=1/2 (spin = 1/2) - lepton csoport, elektron alcsoport, elektromos töltés -e (rendszerezés az elemi részecskék térelmélete szerint). Az elektron stabilitása egy elektromos töltés jelenlétének köszönhető, melynek hiányában az elektron a müonneutrínóhoz hasonlóan bomlik le.

Az elemi részecskék térelmélete szerint az elektron egy állandó komponensű, forgó polarizált váltakozó elektromágneses mezőből áll.

Az elektron elektromágneses terének szerkezete(E-állandó elektromos tér, H-konstans mágneses tér, a sárga szín váltakozó elektromágneses mezőt jelöl)

Energiamérleg (a teljes belső energia százalékában):

állandó elektromos tér (E) - 0,75%,
állandó mágneses tér (H) - 1,8%,
váltakozó elektromágneses tér - 97,45%.

Ez magyarázza az elektron kifejezett hullámtulajdonságait és azt, hogy nem hajlandó részt venni a nukleáris kölcsönhatásokban. Az elektron szerkezete az ábrán látható.

1 elektronsugár

Az elektron sugarát (a részecske középpontjától a maximális tömegsűrűség eléréséig tartó távolságot) a következő képlet határozza meg:

egyenlő 1,98 ∙10 -11 cm.

Egy elektron által elfoglalt, a képlet határozza meg:

egyenlő 3,96 ∙10 -11 cm Az elektron váltakozó elektromágneses tere által elfoglalt gyűrű alakú tartomány sugarát hozzáadtuk az r 0~ értékhez. Emlékeztetni kell arra, hogy a nyugalmi tömeg értékének egy része, amely az elektron állandó (elektromos és mágneses) mezőiben koncentrálódik, az elektrodinamika törvényeinek megfelelően ezen a tartományon kívül van.

Az elektron nagyobb, mint bármely atommag, ezért nem lehet jelen az atommagokban, hanem a neutronbomlás folyamatában születik, ahogyan a pozitron is bomlási folyamatban születik a protonmagban.

Azok az állítások, amelyek szerint egy elektron sugara körülbelül 10-16 cm, megalapozatlanok, és ellentmondanak a klasszikus elektrodinamikának. Ilyen lineáris méreteknél az elektronnak nehezebbnek kell lennie a protonnál.

2 Elektron elektromos tér

Az elektron elektromos tere két régióból áll: egy negatív töltésű külső és egy pozitív töltésű belső területből. A belső régió méretét az elektron sugara határozza meg. A külső és a belső töltések különbsége határozza meg az elektron teljes elektromos töltését -e. Kvantálása az elemi részecskék geometriáján és szerkezetén alapul.

az elektron elektromos tere a távoli zónában (r>> r e) lévő (A) pontban pontosan, az SI rendszerben:

egy elektron elektromos tere a távoli zónában (r > > r e) pontosan, az SI rendszerben egyenlő:

ahol n= r/|r| - egységvektor az elektron középpontjától a megfigyelési pont irányába (A), r - távolság az elektron középpontjától a megfigyelési pontig, e - elemi elektromos töltés, a vektorok vastagon szedve, ε 0 - elektromos állandó, re \u003d Lħ / (m 0~ c ) az elektron sugara a térelméletben, L az elektron fő kvantumszáma a térelméletben, ħ a Planck-állandó, m 0~ az elektron tömege nyugalomban váltakozó elektromágneses térben c a fénysebesség. (A CGS rendszerben nincs szorzó.)

Ezek a matematikai kifejezések helyesek az elektron elektromos mezőjének távoli zónájára: (r>>re), és az állításoknak, miszerint "az elektron elektromos tere 10-16 cm távolságig Coulomb marad" semmi köze a valósághoz. - ez az egyik olyan mese, amely ellentmond a klasszikus elektrodinamikának.

Az elemi részecskék térelmélete szerint az L>0 kvantumszámú elemi részecskék – töltött és semleges – állandó elektromos terét a megfelelő elemi részecske elektromágneses terének állandó összetevője hozza létre. Az elektromos töltés mezője pedig a külső és a belső félteke közötti aszimmetria jelenléte eredményeként keletkezik, ellentétes előjelű elektromos mezőket generálva. A távoli zónában lévő töltött elemi részecskéknél elemi elektromos töltés tere keletkezik, az elektromos töltés előjelét pedig a külső félteke által keltett elektromos tér előjele határozza meg.A közeli zónában ennek a mezőnek van egy összetett szerkezetű és dipólus, de nincs dipólusmomentuma. Ennek a mezőnek, mint ponttöltések rendszerének hozzávetőleges leírásához legalább 6 "kvark" szükséges az elektronon belül - jobb, ha 8 "kvarkot" veszünk. Nyilvánvaló, hogy ez kívül esik a standard modell hatókörén.

Az elektronnak, mint bármely más töltött elemi részecskének, két elektromos töltése és ennek megfelelően két elektromos sugara van:

külső állandó elektromos tér elektromos sugara (töltés -1,25e) - r q- = 3,66 10 -11 cm.
belső állandó elektromos tér elektromos sugara (töltés +0,25e) - r q+ = 3 10 -12 cm.

Az elektron elektromos mezőjének ezen jellemzői megfelelnek az elemi részecskék térelmélete 1. eloszlásának. A fizika még nem állapította meg kísérletileg ennek az eloszlásnak a pontosságát, és azt, hogy melyik eloszlás felel meg a legpontosabban egy elektron konstans elektromos mezőjének valós szerkezetének a közeli zónában.

Az elektromos sugár a kerületen egyenletesen eloszló elektromos töltés átlagos helyét jelzi, amely hasonló elektromos teret hoz létre. Mindkét elektromos töltés ugyanabban a síkban (az elemi részecske változó elektromágneses terének forgási síkjában) fekszik, és közös középpontjuk van, amely egybeesik az elemi részecske változó elektromágneses terének forgásközéppontjával.

Egy elektron elektromos mezőjének E intenzitása a közeli zónában(r ~ r e), az SI rendszerben vektorösszegként megközelítőleg egyenlő:

ahol n-=r-/r - egységvektor a közeli (1) vagy távoli (2) töltési pontból q - elektron a megfigyelési pont (A) irányában, n+=r+/r - egységvektor a közeli (1) vagy távoli (2) töltési ponttól q + elektron a megfigyelési pont irányában (A), r - távolság az elektron középpontjától a megfigyelési pont vetületéig elektronsík, q - - külső elektromos töltés -1,25e, q + - belső elektromos töltés +0,25e, a vektorok vastagon szedve, ε 0 - elektromos állandó, z - a megfigyelési pont magassága (A) (távolság a megfigyeléstől pont az elektron síkjára), r 0 - normalizációs paraméter. (A CGS rendszerben nincs szorzó.)

Ez a matematikai kifejezés a vektorok összege, és a vektorösszeadás szabályai szerint kell kiszámítani, mivel ez két elosztott elektromos töltés mezője (q - = -1,25e és q + = +0,25e). Az első és a harmadik kifejezés a töltések közeli pontjainak felel meg, a második és a negyedik a távolinak. Ez a matematikai kifejezés nem működik az elektron belső (gyűrűs) tartományában, amely állandó mezőit generálja (ha két feltétel egyidejűleg teljesül: r

Elektron elektromos tér potenciálja a közeli zóna (A) pontjában(r ~ r e), az SI rendszerben megközelítőleg egyenlő:

ahol r 0 egy normalizációs paraméter, melynek értéke eltérhet az E képletben szereplőtől. (A CGS rendszerben nincs szorzó.) Ez a matematikai kifejezés nem működik az elektron belső (gyűrűs) régiójában, ami generál konstans mezői (ha mindkét feltétel egyidejűleg teljesül: r

Az r 0 kalibrálását a közeli zóna mindkét kifejezésére az állandó elektrontereket generáló tartomány határán kell elvégezni.

3 Elektronmágneses momentum

A kvantumelmélettel ellentétben az elemi részecskék térelmélete azt állítja, hogy az elemi részecskék mágneses tere nem az elektromos töltések spin-forgása következtében jön létre, hanem az állandó elektromos térrel egyidejűleg létezik, mint az elektromágneses tér állandó összetevője. Ezért minden L>0 kvantumszámú elemi részecske rendelkezik mágneses mezővel.

Mivel az L főkvantumszám és a lepton spin értéke egybeesik, a töltött leptonok mágneses momentumai mindkét elméletben egybeeshetnek.

Az elemi részecskék térelmélete nem tekinti anomáliának az elektron mágneses momentumát - annak értékét kvantumszámok halmaza határozza meg olyan mértékben, amennyire a kvantummechanika működik egy elemi részecskében.

Tehát az elektron fő mágneses momentumát egy áram hozza létre:

(-) mágneses nyomatékkal -0,5 eħ/m 0e s

Az elektron eredő mágneses momentumának meghatározásához meg kell szorozni a váltakozó elektromágneses tér energiájának százalékos hányadát osztva 100 százalékkal, és hozzá kell adni a spin komponenst (lásd az elemi részecskék térelméleti forrását), így kapjuk 0,5005786 eħ/m 0e c. A közönséges Bohr-magnetonokká való konvertáláshoz a kapott számot meg kell szorozni kettővel.

4 Egy elektron nyugalmi tömege

A klasszikus elektrodinamika és az Einstein-képlet szerint az L>0 kvantumszámú elemi részecskék nyugalmi tömegét, beleértve az elektront is, elektromágneses mezőik energiaegyenértékeként határozzuk meg:

ahol a határozott integrált az elemi részecske teljes elektromágneses tere átveszi, E az elektromos térerősség, H a mágneses térerősség. Itt az elektromágneses tér összes összetevőjét figyelembe veszik: állandó elektromos mezőt, állandó mágneses mezőt, váltakozó elektromágneses mezőt.

Amint a fenti képletből következik, az elektron nyugalmi tömegének értéke attól függ, hogy az elektron milyen körülmények között helyezkedik el. Tehát ha egy elektront állandó külső elektromos térbe helyezünk, akkor hatással leszünk az E 2 -re, ami tükröződik a részecske tömegében. Hasonló helyzet áll elő, ha egy elektront állandó mágneses térbe helyezünk.

5 Új fizika: Elektron (elemi részecske) - eredmény

Megnyílt előtted egy új világ - a dipólusterek világa, amelynek létezését a 20. század fizikája nem is sejtette. Láttad, hogy egy elektronnak nem egy, hanem két elektromos töltése (külső és belső) és a hozzájuk tartozó két elektromos sugara van. Láttad, hogy az elektron lineáris méretei sokkal nagyobbak, mint a proton lineáris méretei. Láttad, mi alkotja az elektron nyugalmi tömegét, és hogy a képzeletbeli Higgs-bozon nem működött (a Nobel-bizottság döntései még nem a természet törvényei...). Sőt, a tömeg nagysága attól is függ, hogy milyen mezőben található az elektron. Mindez túlmutat azokon a fogalmakon, amelyek a huszadik század második felében uralták a fizikát. - A 21. század fizikája – Az új fizika az anyagismeret új szintjére lép.

Vlagyimir Gorunovics


AZ IONIC MŰKÖDÉSÉNEK FIZIKAI ALAPJAI
ÉS FÉLVEZETŐ ESZKÖZÖK
1.1. Elektron tulajdonságai
Az elektronikus eszközökben lévő elektromos mező felgyorsítja vagy eltorzítja
elektronok mozgását okozza. Legyen benne az e elektron
elektromos térerősség E , F erő hat (1.1. ábra)
	F = -eE,
a térerő ellen irányul.
Newton második törvénye szerint az F erő egyenlő a szorzattal
az m elektrontömeg az a gyorsulással, amelyet az F erő kölcsönöz az elektronnak
E intenzitású mezőben:
F = ma.
Az (1.1) és (1.2) pontból az elektromos gyorsulása

a = E e ,

az (1.3) egyenletből látható, hogy c
az elektromos feszültség változtatásával		Rizs. 1.1. Egy elektron egy homogénben
a mező változásai felgyorsulnak		elektromos mező
nielektron. Ezen kívül csatolja-
a térerő találkozásánál a v 0 kezdősebesség irányában			elektron
gyorsan mozog, és a legnagyobb sebességet és kinetikát éri el
cal energia útja végén.
Az ismert pozíciók alapján megtaláljuk az elektron v sebességét
fizika. Először is, a térerők munkája az elektromos mozgását befolyásolja

ron A pontból B pontba a töltés szorzata
e elektron ezeknek a pontoknak a potenciálkülönbségére:
W e \u003d (− e) (U A − U B ).
Mivel U B > U A, akkor
	U A − U B = − U .
Ezért dolgozzon
Mi = (e)(− U ) = eU.
Másodszor, az energiamegmaradás törvénye szerint a W e elköltött munka
Az elektron mozgására vonatkozó mező egyenlő a kinetikai növekményével
az elektromos térben mozgó elektron nettó energiája:
W = m (v 2 − v 2 ) / 2 .

V 0 = 0 kezdeti sebességet véve (5)-ből megkapjuk az értéket
végső elektronsebesség
	2 Mi =	2 U e .

Az elektronok sebessége az elektronikus eszközökben sokkal kisebb
kisebb, mint a fénysebesség, így az értékek aránya e /m ≈ e /m 0


	v ≈ 600
Az (1.9)-ből látható, hogy az elektron sebessége az elektromos
mező (km/s) csak a közötti potenciálkülönbségtől függ
az elektron által bejárt út kezdő- és végpontja, ill
nem függ az út alakjától. Néha egy elektron sebességét ebben mérik
volt. Például: egy elektron sebessége 100 V. Ez azt jelenti, hogy az elektromos
a trón ezt a sebességet 100 V-os potenciálkülönbségen áthaladva érte el.
Ha egy elektron nyugalmi állapotból kezdi meg mozgását, akkor az
egyenletesen gyorsulva, egyenesen fog mozogni az erővel szemben
elektromos térerővonalak, amelyek energiát nyelnek el a mezőből. Elektromos
Az elektronok mágneses tere felgyorsul.
Ha a kezdeti sebesség egybeesik az erő irányával
Az elektromos tér vonalaiban egy elektron ilyen mezője a
nyögve. Az elektron sebessége csökkenni fog, az elektromos energiája
a róna is csökkenni fog (visszakerül a pályára). Ha

Ha megengedjük a mező méretét, az elektron megáll, majd elkezd mozogni ennek a mezőnek az erővonalaival szemben.

Ha a kezdeti sebesség az elektromos tér erővonalai ellen irányul, az elektron ilyen mezője gyorsul. Az elektromos tér a pozitív töltéseket az erővonalak irányába mozgatja.

1.2. Az elektronikus sugárzás típusai

A szilárd test felületéről történő elektronkibocsátást elektronemissziónak, az elektronok forrását pedig emitternek nevezzük. Attól függően, hogy milyen módszereket alkalmaznak a külső energia által az elektronokra gyakorolt hatásra, amelyek hatására azok elhagyják az emittert, az elektronemissziónak többféle típusát különböztetjük meg.

Termionikus emisszió az emitter felmelegedése következtében következik be. A hőmérséklet emelkedésével a szilárd rács termikus rezgései lépnek fel. A termikus gerjesztési energiának köszönhetően az elektronok egy része elhagyja az emittert, és emissziós áramot képez. Minél magasabb az emitter hőmérséklete, annál több elektron jut ilyen energiához, aminek következtében a termikus emissziós áram növekszik. Azt a minimális hőmérsékletet, amelyen az emissziós áram megjelenik, kritikusnak nevezzük. Az emitter anyagától függ.

Másodlagos elektronemisszió - másodlagos villamosított kibocsátás

elektronok az emitter felületéről, ha azt primer elektronok áramával sugározzák be. A szekunder emitterre beeső elsődleges elektronfluxus részben visszaverődik a felületéről, részben pedig mélyen behatol abba. Itt a primer elektronok ütköznek az emitter kristályrácsának elektronjaival, energiájuk egy részét adják nekik, gerjesztve őket. A gerjesztett elektronok egy része a külső környezetbe kerül, ezek az elektronok másodlagosak.

Elektrosztatikus elektronemisszió (autoelektronikus)

szilárd vagy folyékony test felületéről nagy intenzitású (107 V/m) gyorsuló elektromos tér hatására keletkezik. Minél nagyobb a térerő, annál nagyobb a térkibocsátási áram.

Fotoelektronikus emisszió akkor fordul elő, ha az emittert fényárammal sugározzák be. Az ilyen típusú emisszió hatékonysága függ a hullámhossztól (inverz kapcsolat) és a fényáram nagyságától (közvetlen kapcsolat).

Az ír tudós, D. Stoney M. Faraday elektrolízis törvényei alapján azt a hipotézist állította fel, hogy az atomban elemi töltés van. És 1891-ben Stoney azt javasolta, hogy ezt a töltést elektronnak nevezzük. Az elektron töltését gyakran e vagy jelöli.

Az elektrolízis törvényei még nem bizonyítják az elektron elemi elektromos töltésként való létezését. Tehát volt egy olyan vélemény, hogy minden egyértékű ionnak különböző töltése lehet, és átlagos értéke megegyezik az elektron töltésével. Az elemi töltés természetben való létezésének bizonyításához az egyes ionok töltéseit kellett mérni, nem pedig a teljes villamos energia mennyiségét. Ezenkívül nyitva maradt a kérdés, hogy a töltés kapcsolatban áll-e az anyag bármely részecskéjével. E kérdések megoldásához J. Perrin és J. Thomson jelentős mértékben hozzájárult. Vizsgálták a katódsugarak részecskéinek elektromos és mágneses térben történő mozgásának törvényeit. Perrin kimutatta, hogy a katódsugarak olyan részecskék áramlása, amelyek negatív töltést hordoznak. Thomson megállapította, hogy ezeknek a részecskéknek egyenlő a töltés/tömeg aránya:

Ezenkívül Thomson kimutatta, hogy a különböző gázok esetében a katódsugarak részecskéinek aránya azonos, és nem függ a katód anyagától. Ebből arra lehetett következtetni, hogy a különböző elemek atomjait alkotó részecskék azonosak. Maga Thomson arra a következtetésre jutott, hogy az atomok oszthatók. Bármely anyag atomjából negatív töltésű és nagyon kis tömegű részecskék húzhatók ki. Mindezek a részecskék azonos tömeggel és azonos töltéssel rendelkeznek. Az ilyen részecskéket elektronoknak nevezzük.

Millikan és Ioffe kísérletei

R. Milliken amerikai tudós kísérletileg bebizonyította, hogy létezik az elemi töltés. Kísérleteiben egyenletes elektromos térben mérte az olajcseppek sebességét, amely két elektromos lemez között jött létre. A csepp feltöltődött, amikor egy ionnal ütközött. Összehasonlítottuk egy töltés nélküli csepp sebességét és ugyanazt az ionnal való ütközést (töltést szerzett). A lemezek közötti térerősség ismeretében kiszámítottuk a csepp töltését.

Millikan kísérleteit megismételte A.F. Ioff. Olajcseppek helyett fémfoltokat használt. A lemezek közötti térerősség megváltoztatásával Ioffe egyenlőséget ért el a gravitációs erő és a Coulomb-erő között, miközben a porrészecske mozdulatlan maradt. A porszemet ultraibolya fénnyel világították meg. Ezzel párhuzamosan a töltése is megváltozott, a gravitációs erő kiegyenlítéséhez a térerősség változtatására volt szükség. A kapott intenzitásértékek alapján a tudós egy porrészecske elektromos töltéseinek arányát ítélte meg.

Millikan és Ioffe kísérletei során kimutatták, hogy a porrészecskék és -cseppek töltése mindig hirtelen változott. A minimális díjváltozás a következő volt:

Bármely töltött test elektromos töltése egyenlő egy egész számmal, és többszöröse az elektrontöltésnek. Ma már az a vélemény, hogy vannak elemi részecskék - kvarkok, amelyek tört töltéssel rendelkeznek ().

Így az elektron töltése egyenlőnek tekinthető:

Példák problémamegoldásra

1. PÉLDA

A feladat

Lapos kondenzátorban, amelynek lemezei közötti távolság d, egy olajcsepp mozdulatlan, tömege m. Hány elektronfelesleg van rajta, ha a lemezek közötti potenciálkülönbség U?

Megoldás

Ebben a feladatban a Millikan-kísérlet analógját vesszük figyelembe. Egy csepp olajra két egymást kioltó erő hat. Ezek a gravitáció és a Coulomb-erő (1. ábra).

Mivel a lapos kondenzátor belsejében lévő mező homogénnek tekinthető, a következőket kapjuk:

ahol E a kondenzátorban lévő elektrosztatikus tér erőssége.

Az elektrosztatikus erő nagysága a következőképpen határozható meg:

Mivel a részecske egyensúlyban van és nem mozog, Newton második törvénye szerint a következőt kapjuk:

Az (1.3) képletből fejezzük ki a részecsketöltést:

Ismerve az elektrontöltés értékét (), a felesleges elektronok számát (amely a csepp töltését hozza létre), a következőt kapjuk:

Válasz

2. PÉLDA