Structura materiei.

Structura atomului.

Un atom este cea mai mică particulă a unui element chimic, purtătorul tuturor proprietăților sale chimice. Atomul este indivizibil din punct de vedere chimic. Atomii pot exista atât în stare liberă, cât și în combinație cu atomii aceluiași element sau alt element.
Unitatea de măsură a maselor atomice și moleculare este luată în prezent ca 1/12 din masa unui atom de carbon cu o masă atomică egală cu 12 (izotop). Această unitate se numește unitatea de carbon.

Masa și dimensiunea atomilor. numărul lui Avogadro.

Un gram-atom, precum și o gram-moleculă a oricărei substanțe, conține 6,023 10^23 atomi sau, respectiv, molecule. Acest număr se numește numărul Avogadro (N0). Deci, în 55,85 g de fier, 63,54 g de cupru, 29,98 g de aluminiu etc., există un număr de atomi egal cu numărul lui Avogadro.
Cunoscând numărul Avogadro, este ușor de calculat masa unui atom al oricărui element. Pentru a face acest lucru, masa gram-atomică a unui atom trebuie împărțită la 6,023 10^23. Deci, masa unui atom de hidrogen (1) și masa unui atom de carbon (2) sunt, respectiv, egale:

Pe baza numărului Avogadro, se poate estima și volumul unui atom. De exemplu, densitatea cuprului este de 8,92 g / cm ^ 3, iar masa atomică gram este de 63,54 g. Prin urmare, un atom gram de cupru ocupă volumul , iar un atom de cupru are un volum .

Structura atomilor.

Un atom este o formațiune complexă și constă dintr-un număr de particule mai mici. Atomii tuturor elementelor constau dintr-un nucleu încărcat pozitiv și electroni - particule încărcate negativ de masă foarte mică. Nucleul ocupă o parte neglijabilă din volumul total al atomului. Diametrul unui atom este cm, iar diametrul nucleului este cm.
Deși diametrul nucleului unui atom este de 100.000 de ori mai mic decât diametrul atomului însuși, practic întreaga masă a atomului este concentrată în nucleul său. Rezultă că densitatea nucleelor atomice este foarte mare. Dacă ar fi posibil să se colecteze 1 cm3 de nuclee atomice, atunci masa acestuia ar fi de aproximativ 116 milioane de tone.
Nucleul este format din protoni și neutroni. Aceste particule au un nume comun - nucleoni.
Proton- - particulă elementară stabilă cu o masă apropiată de o unitate de carbon. Sarcina protonului este egală cu sarcina electrodului, dar cu semnul opus. Dacă sarcina unui electron este considerată egală cu -1, atunci sarcina unui proton este +1. Un proton este un atom de hidrogen fără electron.
Neutroni- un înveliș atomic, a cărui sarcină negativă compensează sarcina pozitivă a nucleului, datorită prezenței protonilor în acesta.
Astfel, numărul de electroni dintr-un atom este egal cu numărul de protoni din nucleul său.
Relația dintre numărul de protoni, numărul de neutroni și numărul de masă al unui atom este exprimată prin ecuația: N=A-Z
Prin urmare, numărul de neutroni din nucleul unui atom al oricărui element este egal cu diferența dintre numărul său de masă și numărul de protoni.
Deci numărul de neutroni din nucleul unui atom de radiu cu o masă de 226 N=A-Z=226-88=138

Masa și sarcina unui electron.

Toate procesele chimice de formare și distrugere a compușilor chimici au loc fără modificarea nucleelor atomilor elementelor care alcătuiesc acești compuși. Numai învelișurile de electroni suferă modificări. Energia chimică este astfel legată de energia electronilor. Pentru a înțelege procesele de formare și distrugere a compușilor chimici, trebuie să înțelegem proprietățile unui electron în general și în special proprietățile și comportamentul unui electron într-un atom.
Electron- aceasta este o particulă elementară care are o sarcină electrică negativă elementară, adică cea mai mică cantitate de electricitate care poate exista. Sarcina unui electron este egală cu el. Artă. unitati sau pandantiv. Masa în repaus a unui electron este egală cu r, adică. 1837,14 ori mai mică decât masa unui atom de hidrogen. Masa unui electron este o unitate de carbon.

Modelul Bohr al atomului.

La începutul secolului al XX-lea, M. Planck A. Einstein a creat teoria cuantică a luminii, conform căreia lumina este un flux de cuante de energie individuale transportate de particule de lumină - fotonii.
Valoarea cuantumului de energie(E) este diferită pentru diferite radiații și este proporțională cu frecvența de oscilație:
,
unde h este constanta lui Planck.
M. Planck a arătat că atomii absorb sau emit energie radiantă numai în porțiuni separate, bine definite - cuante.
Încercând să conecteze legea mecanicii clasice cu teoria cuantică, omul de știință danez N. Bohr credea că un electron dintr-un atom de hidrogen poate fi doar pe anumite orbite constante, ale căror raze sunt legate între ele ca pătrate de numere întregi. Aceste orbite au fost numite staționare de către N. Bohr.
Radiația de energie are loc numai atunci când un electron se deplasează de pe o orbită mai îndepărtată pe o orbită mai aproape de nucleu. Când un electron trece de pe o orbită apropiată pe una mai îndepărtată, energia este absorbită de atom.
, unde sunt energiile electronilor în stări staționare.
Când Ei > Ek, energia este eliberată.
Pentru Ei< Ек энергия поглощается.
Rezolvarea problemei distribuției electronilor într-un atom se bazează pe studiul spectrelor de linii ale elementelor și proprietăților lor chimice. Spectrul atomului de hidrogen a confirmat aproape complet teoria lui N. Bohr. Cu toate acestea, împărțirea observată a liniilor spectrale în atomii multielectroni și îmbunătățirea acestei scindări în câmpurile magnetice și electrice nu au putut fi explicate prin teoria lui N. Bohr.

Proprietățile undei ale unui electron.

Legile fizicii clasice se opun între ele conceptele de „particulă” și „undă”. Teoria fizică modernă, numită cuantică, sau mecanica valurilor, a arătat că mișcarea și interacțiunea particulelor de masă mică - microparticule au loc după legi diferite de legile mecanicii clasice. O microparticulă are simultan unele proprietăți ale corpusculilor (particule) și unele proprietăți ale undelor. Pe de o parte, un electron, proton sau altă microparticulă se mișcă și acționează ca un corpuscul, de exemplu, atunci când se ciocnește cu o altă microparticulă. Pe de altă parte, atunci când o microparticulă se mișcă, sunt detectate fenomene de interferență și difracție tipice undelor electromagnetice.
Astfel, în proprietățile unui electron (precum și ale altor microparticule), în legile mișcării sale, se manifestă continuitatea și interconectarea a două forme calitativ diferite ale existenței materiei, substanței și câmpului. O microparticulă nu poate fi considerată nici ca o particulă obișnuită, nici ca o undă obișnuită. O microparticulă are dualism de unde corpusculare.
Vorbind despre relația dintre materie și câmp, se poate ajunge la concluzia că, dacă fiecare particulă materială are o anumită masă, atunci, aparent, aceeași particulă trebuie să corespundă și unei anumite lungimi, o undă. Există o întrebare despre relația dintre masă și undă. În 1924, fizicianul francez Louis de Broglie a sugerat că cu fiecare electron în mișcare (și în general cu fiecare particulă de material în mișcare) este asociat un proces de undă, a cărui lungime de undă este , unde este lungimea de undă în cm (m), h este cea a lui Planck. constantă, egală cu erg. sec (), m - masa particulei în g (kg), - viteza particulei, în cm / sec.
Din această ecuație se poate observa că o particulă în repaus trebuie să aibă o lungime de undă infinit de lungă și că lungimea de undă scade odată cu creșterea vitezei particulei. Lungimea de undă a unei particule în mișcare de masă mare este foarte mică și nu poate fi încă determinată experimental. Prin urmare, vorbim despre proprietățile undelor doar ale microparticulelor. Electronul are proprietăți de undă. Aceasta înseamnă că mișcarea sa într-un atom poate fi descrisă printr-o ecuație de undă.
Modelul planetar al structurii atomului de hidrogen, creat de N. Bohr, care a plecat de la conceptul de electron doar ca particulă clasică, nu poate explica o serie de proprietăți ale electronului. Mecanica cuantică a arătat că ideea mișcării unui electron în jurul nucleului pe anumite orbite, cum ar fi mișcarea planetelor în jurul Soarelui, ar trebui considerată insuportabilă.
Un electron, având proprietățile unei unde, se mișcă în întregul volum, formând un nor de electroni, care pentru electronii dintr-un atom poate avea o formă diferită. densitatea acestui nor de electroni într-una sau alta parte a volumului atomic nu este aceeași.

Caracterizarea unui electron prin patru numere cuantice.

Principala caracteristică care determină mișcarea unui electron în câmpul nucleului este energia acestuia. Energia unui electron, ca și energia unei particule dintr-un flux luminos - un foton, nu ia nicio, ci doar anumite valori discrete, discontinue sau, după cum se spune, cuantificate.
Un electron în mișcare are trei grade de libertate de mișcare în spațiu (corespunzând la trei axe de coordonate) și un grad suplimentar de libertate datorită prezenței momentelor mecanice și magnetice proprii ale electronului, care țin cont de rotația electronului în jurul axei sale. . Prin urmare, pentru o energie completă caracteristică stării unui electron într-un atom, este necesar și suficient să existe patru parametri. Acești parametri sunt numiți numere cuantice. Numerele cuantice, precum și energia unui electron, pot lua nu toate, ci doar anumite valori. Valorile învecinate ale numerelor cuantice diferă cu unul.

Numărul cuantic principal n caracterizează energia totală a electronului sau nivelul său de energie. Numărul cuantic principal poate lua valori ale numerelor întregi de la 1 la . Pentru un electron situat în câmpul nucleului, numărul cuantic principal poate lua valori de la 1 la 7 (corespunzător numărului perioadei din sistemul periodic în care se află elementul). Nivelurile de energie sunt desemnate fie prin numere în conformitate cu valorile numărului cuantic principal, fie prin litere:

P
Desemnarea nivelului

Dacă, de exemplu, n=4, atunci electronul se află la al patrulea nivel de energie, numărând de la nucleul atomului, sau la nivelul N.

Numărul cuantic orbital l, care se numește uneori număr cuantic lateral, caracterizează starea energetică diferită a unui electron de un anumit nivel. Structura fină a liniilor spectrale indică faptul că electronii fiecărui nivel de energie sunt grupați în subniveluri. Numărul cuantic orbital este legat de momentul unghiular al unui electron pe măsură ce se mișcă în raport cu nucleul unui atom. Numărul cuantic orbital determină și forma norului de electroni.Numărul cuantic l poate lua toate valorile întregi de la 0 la (n-1). De exemplu, când n=4, l=0, 1, 2, 3. Fiecare valoare a lui l corespunde unui anumit subnivel. Literele sunt folosite pentru subniveluri. Deci, la l=0, 1, 2, 3 electroni sunt respectiv pe subnivelurile s-, p-, d-, f-. Electronii de diferite subniveluri se numesc respectiv s-, p-, d-, f - electroni. Numărul posibil de subniveluri pentru fiecare nivel de energie este egal cu numărul acestui nivel, dar nu depășește patru. Primul nivel de energie (n=1) este format dintr-un s-subnivel, al doilea (n=2), al treilea (n=3) și al patrulea (n=4) niveluri de energie constau, respectiv, din două (s, p), trei (s, p, d) și patru (s, p, d, f) subniveluri. Nu pot exista mai mult de patru subniveluri, deoarece valorile l=0, 1, 2, 3 descriu electronii atomilor tuturor celor 104 elemente cunoscute acum.
Dacă l=0 (s-electroni), atunci momentul unghiular al electronului în raport cu nucleul atomului este egal cu zero. Acest lucru se poate întâmpla numai atunci când electronul nu se deplasează înainte translațional în jurul nucleului, ci de la nucleu la periferie și înapoi. Norul de electroni al electronului s are formă sferică.

Număr cuantic magnetic- momentul său magnetic este legat și de momentul unghiular al electronului. Numărul cuantic magnetic caracterizează momentul magnetic al electronului. numărul cuantic magnetic caracterizează momentul magnetic al electronului și indică orientarea norului de electroni față de direcția aleasă sau față de direcția câmpului magnetic. Numărul cuantic magnetic poate lua orice valori întregi pozitive și negative, inclusiv zero, variind de la – l la + l. De exemplu, dacă l=2, atunci are 2 l+1=5 valori (-2, -1, 0, +1, +2). Cu l=3, numărul de valori este 2 l+1=7 (-3, -2, -1, 0, +1, +2, +3). Numărul de valori ale numărului cuantic magnetic, care este egal cu 2 l + 1, este numărul de stări de energie în care se pot afla electronii unui anumit subnivel. Astfel, electronii s au o singură stare (2 l+1=1), electronii p au 3 stări (2 l+1=3), electronii d-, f au 5, respectiv 7 stări. Stările de energie sunt de obicei notate schematic prin celule de energie, înfățișându-le drept dreptunghiuri, iar electronii ca săgeți în aceste celule.

Spin număr cuantic- caracterizează mişcarea internă a electronului - spin. Este asociat cu propriul moment magnetic al electronului, datorită mișcării acestuia în jurul axei sale. Acest număr cuantic poate lua doar două valori: + 1/2 și -1/2, în funcție de faptul că câmpul magnetic al spinului electronului este orientat paralel sau antiparalel cu câmpul magnetic datorită mișcării electronului în jurul nucleului.
Doi electroni (pereche) cu aceleași valori ale numerelor cuantice: n, I, dar cu spini direcționați opus ( ↓) se numesc pereche sau pereche de electroni singuratică. Electronii cu spini nesaturați () se numesc nepereche.

Principiul Pauli, principiul energiei minime, regula lui Hund.
Distribuția electronilor în atomii elementelor este determinată de trei prevederi principale: principiul Pauli, principiul energiei minime și regula Hund.

principiul Pauli. Studiind numeroasele spectre de atomi, fizicianul elvețian W. Pauli a ajuns în 1925 la concluzia, care a fost numită principiul sau interdicția Pauli: poate chiar doi electroni cu aceleași valori ale tuturor celor patru numere cuantice.” Stările energetice ale electronilor, caracterizate prin aceleași valori a trei numere cuantice: n, I și m1, sunt de obicei notate cu o celulă energetică.
Conform principiului Pauli, într-o celulă de energie pot exista doar doi electroni și cu spini opuși
Prezența unui al treilea electron într-o celulă de energie ar însemna că două dintre ele au toate cele patru numere cuantice la fel. Numărul de stări posibile ale electronilor (Fig. .4) la un anumit subnivel este egal cu numărul de valori ale numărului cuantic magnetic pentru acest subnivel, adică 21 + 1. Numărul maxim de electroni la acest subnivel, conform la principiul Pauli, va fi 2 (21 + 1). Astfel, 2 electroni sunt posibili la subnivelul s; p-subnivelul 6 electroni; la subnivelul d 10 electroni; sunt 14 electroni la subnivelul f. Numărul de stări posibile ale electronilor la orice nivel este egal cu pătratul numărului cuantic principal și numărul maxim de electroni la acest nivel

Principiul energiei minime.

Secvența de plasare a electronilor într-un atom trebuie să corespundă celei mai mari conexiuni a acestora cu nucleul, adică electronul trebuie să aibă cea mai mică energie. Prin urmare, nu este necesar ca un electron să ocupe un nivel de energie mai mare dacă există locuri în nivelul de bază unde electronul va avea o energie mai mică.

Deoarece energia unui electron este determinată în principal de valorile principalelor n și ale numerelor orbitale / cuantice, acele subnivele sunt completate mai întâi, pentru care suma valorilor numerelor cuantice n și / este mai mică. De exemplu, rezerva de energie la subnivelul 4s(n +/ = 4 +0 = 4) este mai mică decât 3d(n + /= 3 + 2 = 5); 5s (n + / = 5 + 0 = 5) mai mic decât 4d (n + / = 4 + 2 = 6); 5p(n + / = 5 +1 =6) mai mic decât 4f(n + 1 = 4+3 = 7). Dacă pentru două niveluri sumele valorilor n și / sunt egale, atunci subnivelul cu valoarea mai mică a lui n este completat mai întâi. n, adică în următoarea secvență: 3d-4p-5s.
Când energiile subnivelurilor apropiate diferă foarte puțin unele de altele, există câteva excepții de la această regulă. Astfel, subnivelul 5d este umplut cu un electron 5dl înainte de 4f; 6d1-2 înainte de 5f.
Umplerea nivelurilor de energie și a subnivelurilor se desfășoară în următoarea secvență: ls→2s→2p→3s→3p→4s→ 3d → 4р→ 5s → 4d → 5р→ 6s →(5dl) →4f→ 5d→6p→ 7s→ ( 6d1-2 )→5f→ 6d→7p

regula lui Gund.
Electronii dintr-un anumit subnivel sunt mai întâi localizați fiecare într-o celulă separată sub formă de electroni „inactivi” nepereche. Cu alte cuvinte, pentru o valoare dată a lui I, electronii din atom sunt aranjați astfel încât numărul lor total de spin să fie maxim. De exemplu, dacă trei electroni, atunci fiecare dintre ei va fi localizat într-o celulă separată în acest fel:

Formule electronice ale atomilor și scheme.

Ținând cont de prevederile de mai sus, este ușor de imaginat distribuția electronilor pe niveluri și subniveluri de energie în atomii oricărui element. Această distribuție a electronilor într-un atom este scrisă sub forma așa-numitelor formule electronice. În formulele electronice, literele s, p, d, f indică subnivelurile energetice ale electronilor; numerele din fața literelor indică nivelul de energie în care se află electronul dat, iar indicele din dreapta sus este numărul de electroni din acest subnivel. De exemplu, scrierea 5p3 înseamnă că 3 electroni sunt localizați în subnivelul p al celui de-al cincilea nivel de energie.
Pentru a compune formula electronică a unui atom a oricărui element, este suficient să cunoaștem numărul acestui element în sistemul periodic și să îndepliniți prevederile de bază care guvernează distribuția electronilor într-un atom.
Să, de exemplu, trebuie să faceți formule electronice pentru atomii de sulf, calciu, scandiu, fier și lantan. Din tabelul periodic, determinăm numerele acestor elemente, care sunt, respectiv, egale cu 16, 20, 21, 26,. Aceasta înseamnă că la nivelurile și subnivelurile de energie, atomii acestor elemente conțin 16, 20, 21, 26, respectiv 57 de electroni. Respectând principiul Pauli și principiul energiei minime, adică succesiunea nivelurilor și subnivelurilor de energie de umplere, se pot compune formulele electronice ale atomilor acestor elemente:

Structura învelișului de electroni a unui atom poate fi descrisă și sub forma unui aranjament de electroni în celulele energetice.
Pentru atomii de fier, o astfel de schemă are următoarea formă:

Această diagramă arată clar implementarea regulii lui Hund. La subnivelul 3d, numărul maxim de celule (patru) este umplut cu electroni nepereche. Imaginea structurii învelișului de electroni din atom sub formă de formule electronice și sub formă de diagrame nu reflectă în mod clar proprietățile undei electronului. Cu toate acestea, trebuie amintit că fiecare electron s-, p-, d-, f are propriul nor de electroni. Forma diferită a norului de electroni indică faptul că electronul are o probabilitate diferită de a se afla într-o anumită regiune a spațiului atomic. În funcție de valoarea numărului cuantic magnetic m1, orientarea norului de electroni în spațiu va fi și ea diferită.

Un electron este o particulă elementară, care este una dintre unitățile principale din structura materiei. Sarcina unui electron este negativă. Cele mai precise măsurători au fost făcute la începutul secolului al XX-lea de către Millikan și Ioffe.

Sarcina electronului este egală cu minus 1,602176487 (40) * 10 -1 9 C.

Prin această valoare se măsoară sarcina electrică a celorlalte particule mai mici.

Conceptul general de electron

În fizica particulelor, se spune că electronul este indivizibil și nu are structură. Este implicat în procese electromagnetice și gravitaționale, aparține grupului lepton, la fel ca antiparticula sa, pozitronul. Printre alți leptoni, are cea mai ușoară greutate. Dacă electronii și pozitronii se ciocnesc, aceasta duce la anihilarea lor. O astfel de pereche poate apărea din gama-cuantica de particule.

Înainte ca neutrinul să fie măsurat, electronul era considerat cea mai ușoară particulă. În mecanica cuantică, este denumit fermioni. Electronul are și un moment magnetic. Dacă se face referire la el și la un pozitron, atunci pozitronul este separat ca o particulă încărcată pozitiv, iar electronul se numește negatron, ca o particulă cu sarcină negativă.

Proprietățile individuale ale electronilor

Electronii aparțin primei generații de leptoni, cu proprietăți de particule și unde. Fiecare dintre ele este dotat cu o stare cuantică, care este determinată prin măsurarea energiei, a orientării spinului și a altor parametri. El își dezvăluie apartenența la fermioni prin imposibilitatea de a avea doi electroni în aceeași stare cuantică în același timp (după principiul Pauli).

Este studiată în același mod ca o cvasiparticulă într-un potențial cristalin periodic, în care masa efectivă poate diferi semnificativ de masa în repaus.

Prin mișcarea electronilor apar curent electric, magnetism și CEM termic. Sarcina unui electron în mișcare formează un câmp magnetic. Cu toate acestea, un câmp magnetic extern deviază particula dintr-o direcție dreaptă. Când este accelerat, electronul dobândește capacitatea de a absorbi sau de a emite energie ca un foton. Setul său este format din învelișuri atomice de electroni, numărul și poziția cărora determină proprietățile chimice.

Masa atomică constă în principal din protoni și neutroni nucleari, în timp ce masa electronilor este de aproximativ 0,06% din greutatea atomică totală. Forța electrică Coulomb este una dintre principalele forțe care pot menține un electron aproape de nucleu. Dar atunci când moleculele sunt create din atomi și apar legături chimice, electronii sunt redistribuiți în noul spațiu format.

Nucleonii și hadronii sunt implicați în apariția electronilor. Izotopii cu proprietăți radioactive sunt capabili să emită electroni. În condiții de laborator, aceste particule pot fi studiate în instrumente speciale și, de exemplu, telescoapele pot detecta radiația de la ele în norii de plasmă.

Deschidere

Electronul a fost descoperit de fizicienii germani în secolul al XIX-lea, când au studiat proprietățile catodice ale razelor. Apoi, alți oameni de știință au început să o studieze mai detaliat, aducând-o la rangul de particule separate. Au fost studiate radiațiile și alte fenomene fizice conexe.

De exemplu, un grup condus de Thomson a estimat sarcina unui electron și masa razelor catodice, ale căror rapoarte, după cum au descoperit, nu depind de o sursă materială.
Și Becquerel a descoperit că mineralele emit radiații de la sine, iar razele lor beta pot fi deviate prin acțiunea unui câmp electric, în timp ce masa și sarcina au păstrat același raport ca cel al razelor catodice.

Teoria atomică

Conform acestei teorii, un atom este format dintr-un nucleu și electroni în jurul lui, dispuși sub forma unui nor. Ele se află în unele stări de energie cuantificate, a căror modificare este însoțită de procesul de absorbție sau emisie de fotoni.

Mecanica cuantică

La începutul secolului al XX-lea, a fost formulată o ipoteză conform căreia particulele materiale au proprietățile atât ale particulelor proprii, cât și ale undelor. De asemenea, lumina se poate manifesta sub formă de undă (se numește undă de Broglie) și particule (fotoni).

Drept urmare, a fost formulată celebra ecuație Schrödinger, care a descris propagarea undelor de electroni. Această abordare se numește mecanică cuantică. A fost folosit pentru a calcula stările electronice ale energiei în atomul de hidrogen.

Proprietățile fundamentale și cuantice ale electronului

Particula prezintă proprietăți fundamentale și cuantice.

Cele fundamentale includ masa (9,109 * 10 -31 kilograme), sarcina electrică elementară (adică porțiunea minimă a sarcinii). Conform măsurătorilor efectuate până acum, în electron nu se găsesc elemente care să-i dezvăluie substructura. Dar unii oameni de știință sunt de părere că este o particulă încărcată punctual. După cum sa indicat la începutul articolului, sarcina electrică electronică este -1,602 * 10 -19 C.

Fiind o particulă, un electron poate fi simultan o undă. Experimentul cu două fante confirmă posibilitatea trecerii sale simultane prin ambele. Acest lucru intră în conflict cu proprietățile particulei, unde este posibil să treacă doar printr-o fante de fiecare dată.

Se consideră că electronii au aceleași proprietăți fizice. Prin urmare, permutarea lor, din punct de vedere al mecanicii cuantice, nu duce la o schimbare a stării sistemului. Funcția de undă a electronilor este antisimetrică. Prin urmare, soluțiile sale dispar atunci când electroni identici intră în aceeași stare cuantică (principiul lui Pauli).

Electron (particulă elementară)

Acest articol a fost scris de Vladimir Gorunovich pentru site-ul „Wikiknowledge”, sub titlul „Electron in the field theory”, plasat pe acest site pentru a proteja informațiile de vandali, iar apoi completat pe acest site.

Teoria câmpului particulelor elementare, care acționează în cadrul ȘTIINȚEI, se bazează pe un fundament dovedit de FIZICĂ:

electrodinamica clasica,
mecanica cuantică,
Legile de conservare sunt legile fundamentale ale fizicii.

Aceasta este diferența fundamentală între abordarea științifică folosită de teoria câmpului particulelor elementare - o teorie adevărată trebuie să opereze strict în cadrul legilor naturii: despre asta se referă ȘTIINȚA.

Să folosească particule elementare care nu există în natură, să inventeze interacțiuni fundamentale care nu există în natură sau să înlocuiască interacțiunile care există în natură cu interacțiuni fabuloase, să ignore legile naturii, făcând manipulări matematice asupra lor (creând apariția științei) - acesta este lotul basmelor care se mascară în știință. Drept urmare, fizica a alunecat în lumea basmelor matematice.

1 rază de electroni
2 Câmp electric de electroni
3 Momentul magnetic al electronilor
4 Masa în repaus a unui electron
5 Fizică nouă: Electron (particulă elementară) - rezultat

Electron(Eng. Electron) - cea mai ușoară particulă elementară cu o sarcină electrică. Număr cuantic L=1/2 (spin = 1/2) - grupa leptonilor, subgrupa electronilor, sarcina electrică -e (sistematizare după teoria câmpului particulelor elementare). Stabilitatea electronului se datorează prezenței unei sarcini electrice, în absența căreia electronul s-ar descompune în mod similar cu neutrinul muon.

Conform teoriei câmpului particulelor elementare, un electron constă dintr-un câmp electromagnetic alternant polarizat rotativ cu o componentă constantă.

Structura câmpului electromagnetic al unui electron(Câmp electric constant E, câmp magnetic constant H, culoarea galbenă indică câmp electromagnetic alternant)

Bilanț energetic (procent din energia internă totală):

câmp electric constant (E) - 0,75%,
câmp magnetic permanent (H) - 1,8%,
câmp electromagnetic alternativ - 97,45%.

Aceasta explică proprietățile pronunțate de undă ale electronului și refuzul acestuia de a participa la interacțiunile nucleare. Structura electronului este prezentată în figură.

1 rază de electroni

Raza unui electron (distanța de la centrul particulei până la locul unde se atinge densitatea maximă de masă) este determinată de formula:

egal cu 1,98 ∙10 -11 cm.

Ocupat de un electron, determinat de formula:

este egală cu 3,96 ∙10 -11 cm.La valoarea lui r 0~ s-a adăugat raza regiunii inelare ocupată de câmpul electromagnetic alternant al electronului. Trebuie amintit că o parte din valoarea masei de repaus, concentrată în câmpurile constante (electrice și magnetice) ale electronului se află în afara acestei regiuni, în conformitate cu legile electrodinamicii.

Un electron este mai mare decât orice nucleu atomic, prin urmare nu poate fi prezent în nucleele atomice, ci se naște în procesul de dezintegrare a neutronilor, la fel cum se naște un pozitron în procesul de dezintegrare într-un nucleu de proton.

Afirmațiile conform cărora raza unui electron este de aproximativ 10 -16 cm sunt nefondate și contrazic electrodinamica clasică. Cu asemenea dimensiuni liniare, electronul trebuie să fie mai greu decât protonul.

2 Câmp electric de electroni

Câmpul electric al unui electron este format din două regiuni: o regiune exterioară cu sarcină negativă și o regiune interioară cu sarcină pozitivă. Mărimea regiunii interioare este determinată de raza electronului. Diferența dintre sarcinile regiunilor exterioare și interioare determină sarcina electrică totală a electronului -e. Cuantizarea sa se bazează pe geometria și structura particulelor elementare.

câmpul electric al unui electron în punctul (A) în zona îndepărtată (r>> r e) exact, în sistemul SI este:

câmpul electric al unui electron în zona îndepărtată (r > > r e) exact, în sistemul SI este egal cu:

Unde n= r/|r| - vector unitar din centrul electronului în direcția punctului de observație (A), r - distanța de la centrul electronului până la punctul de observare, e - sarcină electrică elementară, vectorii sunt îngroșați, ε 0 - electric constantă, r e \u003d Lħ / (m 0~ c ) este raza unui electron în teoria câmpului, L este numărul cuantic principal al unui electron în teoria câmpului, ħ este constanta lui Planck, m 0~ este masa unui electron în repaus într-un câmp electromagnetic alternativ, c este viteza luminii. (Nu există un multiplicator în sistemul CGS.)

Aceste expresii matematice sunt corecte pentru zona îndepărtată a câmpului electric al electronului: (r>>re), iar afirmațiile că „câmpul electric al electronului rămâne Coulomb până la distanțe de 10 -16 cm” nu au nimic de-a face cu realitatea - acesta este unul dintre basmele care contrazice electrodinamica clasică.

Conform teoriei câmpului particulelor elementare, un câmp electric constant al particulelor elementare cu un număr cuantic L>0, atât încărcat, cât și neutru, este creat de o componentă constantă a câmpului electromagnetic al particulei elementare corespunzătoare. Și câmpul de sarcină electrică apare ca urmare a prezenței asimetriei între emisfera exterioară și interioară, generând câmpuri electrice de semne opuse. Pentru particulele elementare încărcate din zona îndepărtată, se generează câmpul unei sarcini electrice elementare, iar semnul sarcinii electrice este determinat de semnul câmpului electric generat de emisfera exterioară. În zona apropiată, acest câmp are un structură complexă și este un dipol, dar nu are un moment de dipol. Pentru o descriere aproximativă a acestui câmp ca sistem de sarcini punctuale, sunt necesari cel puțin 6 „cuarcuri” în interiorul electronului – este mai bine dacă luăm 8 „cuarcuri”. Este clar că acest lucru este în afara domeniului de aplicare al modelului standard.

Un electron, ca orice altă particulă elementară încărcată, are două sarcini electrice și, în consecință, două raze electrice:

raza electrică a câmpului electric extern constant (sarcină -1,25e) - r q- = 3,66 10 -11 cm.
raza electrică a câmpului electric intern constant (sarcină +0,25e) - r q+ = 3 10 -12 cm.

Aceste caracteristici ale câmpului electric de electroni corespund distribuției 1 a teoriei câmpului particulelor elementare. Fizica nu a stabilit încă experimental acuratețea acestei distribuții și care distribuție corespunde cel mai exact structurii reale a câmpului electric constant al unui electron din zona apropiată.

Raza electrică indică locația medie a unei sarcini electrice distribuite uniform în jurul circumferinței, ceea ce creează un câmp electric similar. Ambele sarcini electrice se află în același plan (planul de rotație al câmpului electromagnetic variabil al particulei elementare) și au un centru comun care coincide cu centrul de rotație al câmpului electromagnetic variabil al particulei elementare.

Intensitatea E a câmpului electric al unui electron în zona apropiată(r ~ r e), în sistemul SI, ca sumă vectorială, este aproximativ egală cu:

Unde n-=r-/r - vector unitar din punctul de încărcare apropiat (1) sau îndepărtat (2) q - electron în direcția punctului de observație (A), n+=r+/r - vector unitar de la punctul de încărcare apropiat (1) sau îndepărtat (2) q + electron în direcția punctului de observație (A), r - distanța de la centrul electronului până la proiecția punctului de observare pe plan electronic, q - - sarcină electrică externă -1,25 e, q + - sarcină electrică internă +0,25e, vectorii sunt cu caractere aldine, ε 0 - constantă electrică, z - înălțimea punctului de observație (A) (distanța de la observație punct spre planul electronului), r 0 - parametru de normalizare. (Nu există un multiplicator în sistemul CGS.)

Această expresie matematică este suma vectorilor și trebuie calculată conform regulilor de adunare vectorială, deoarece acesta este un câmp de două sarcini electrice distribuite (q - = -1.25e și q + = +0.25e). Primul și al treilea termen corespund punctelor apropiate ale sarcinilor, al doilea și al patrulea - celor îndepărtate. Această expresie matematică nu funcționează în regiunea interioară (inelului) a electronului, care generează câmpurile sale constante (dacă sunt îndeplinite două condiții simultan: r

Potențialul câmpului electric al electronilor în punctul (A) din zona apropiată(r ~ r e), în sistemul SI este aproximativ egal cu:

unde r 0 este un parametru de normalizare, a cărui valoare poate diferi de cea din formula E. (Nu există un multiplicator în sistemul CGS.) Această expresie matematică nu funcționează în regiunea interioară (inelului) a electronului, care generează câmpurile sale constante (dacă ambele condiții sunt îndeplinite simultan: r

Calibrarea lui r 0 pentru ambele expresii ale zonei apropiate trebuie efectuată la limita regiunii care generează câmpuri electronice constante.

3 Momentul magnetic al electronilor

Spre deosebire de teoria cuantică, teoria câmpului particulelor elementare afirmă că câmpurile magnetice ale particulelor elementare nu sunt create de rotația de spin a sarcinilor electrice, ci există simultan cu un câmp electric constant ca componentă constantă a câmpului electromagnetic. Prin urmare, toate particulele elementare cu număr cuantic L>0 au câmpuri magnetice.

Deoarece valorile numărului cuantic principal L și spinul leptonilor coincid, valorile momentelor magnetice ale leptonilor încărcați în ambele teorii pot coincide și ele.

Teoria câmpului particulelor elementare nu consideră că momentul magnetic al unui electron este anormal - valoarea acestuia este determinată de un set de numere cuantice în măsura în care mecanica cuantică funcționează într-o particulă elementară.

Deci, momentul magnetic principal al unui electron este creat de un curent:

(-) cu moment magnetic -0,5 eħ/m 0e s

Pentru a obține momentul magnetic rezultat al unui electron, este necesar să se înmulțească cu procentul de energie al câmpului electromagnetic alternativ împărțit la 100 la sută și să se adauge componenta spin (vezi sursa Teoria câmpului particulelor elementare), ca rezultat obținem 0,5005786 eħ/m 0e c. Pentru a converti în magnetoni Bohr obișnuiți, numărul rezultat trebuie înmulțit cu doi.

4 Masa în repaus a unui electron

În conformitate cu electrodinamica clasică și cu formula lui Einstein, masa în repaus a particulelor elementare cu număr cuantic L>0, inclusiv electronul, este definită ca echivalentul energetic al câmpurilor lor electromagnetice:

unde integrala definită este preluată pe întregul câmp electromagnetic al particulei elementare, E este intensitatea câmpului electric, H este puterea câmpului magnetic. Aici sunt luate în considerare toate componentele câmpului electromagnetic: un câmp electric constant, un câmp magnetic constant, un câmp electromagnetic alternant.

După cum rezultă din formula de mai sus, valoarea masei în repaus a unui electron depinde de condițiile în care se află electronul. Deci, plasând un electron într-un câmp electric extern constant, vom afecta E2, care se va reflecta în masa particulei. O situație similară va apărea atunci când un electron este plasat într-un câmp magnetic constant.

5 Fizica nouă: Electron (particulă elementară) - rezultat

O nouă lume s-a deschis înaintea ta - lumea câmpurilor dipol, a cărei existență fizica secolului XX nu a bănuit-o.. Ați văzut că un electron are nu una, ci două sarcini electrice (externă și internă) și două raze electrice corespunzătoare. Ați văzut că dimensiunile liniare ale electronului sunt mult mai mari decât dimensiunile liniare ale protonului. Ați văzut ce alcătuiește masa de repaus a electronului și că bosonul Higgs imaginar nu mai funcționează (deciziile Comitetului Nobel nu sunt încă legile naturii...). Mai mult, mărimea masei depinde de câmpurile în care se află electronul. Toate acestea depășesc conceptele care au dominat fizica în a doua jumătate a secolului XX. - Fizica secolului 21 - Noua fizică trece la un nou nivel de cunoaștere a materiei.

Vladimir Gorunovici


FUNDAMENTELE FIZICE ALE OPERAȚIUNII IONICE
SI DISPOZITIVE SEMICONDUCTOARE
1.1. Proprietățile electronilor
Câmpul electric din dispozitivele electronice accelerează sau tor-
provoacă mișcarea electronilor. Fie electronul e situat în
intensitatea câmpului electric E , forța F acționează (Fig. 1.1)
	F = -eE,
îndreptată împotriva puterii câmpului.
Conform celei de-a doua legi a lui Newton, forța F este egală cu produsul
masa electronului m prin accelerația a, conferită electronului de forța F
într-un câmp cu intensitatea E:
F = ma.
Din (1.1) și (1.2) accelerația electrică

a = E e ,

din ecuația (1.3) se poate observa că c
prin modificarea tensiunii electrice		Orez. 1.1. Un electron într-un omogen
ale câmpului se modifică accelerând		câmp electric
nielectron. În plus, atașați-
la confluența forței câmpului în direcția vitezei inițiale v 0			electron
se mișcă rapid și capătă cea mai mare viteză și cinetică
energie cală la capătul drumului său.
Găsim viteza v a electronului pe baza pozițiilor cunoscute
fizică. În primul rând, munca forțelor câmpului asupra mișcării unui electric

ron de la punctul A la punctul B este produsul sarcinii
electronul e pe diferența de potențial a acestor puncte:
W e \u003d (− e) (U A − U B ).
Deoarece U B > U A, atunci
	U A − U B = − U .
Prin urmare, munca
Noi = (e)(− U ) = eU.
În al doilea rând, conform legii conservării energiei, munca pe care am cheltuit-o
câmpul de mișcare a unui electron este egal cu creșterea cineticii
energia netă a unui electron care se mișcă într-un câmp electric:
W = m (v 2 − v 2 ) / 2 .

Luând viteza inițială v 0 = 0, din (5) găsim valoarea
viteza finală a electronilor
	2 Noi =	2 U e .

Viteza unui electron în dispozitivele electronice este mult mai mică
mai mică decât viteza luminii, deci raportul valorilor e /m ≈ e /m 0


	v ≈ 600
Din (1.9) se poate observa că viteza electronului în electric
câmpul (km/s) depinde doar de diferența de potențial dintre
punctele de început și de sfârșit ale drumului parcurs de electron și
nu depinde de forma căii. Uneori, viteza unui electron este măsurată în
volți. De exemplu: viteza unui electron este de 100 V. Aceasta înseamnă că electricul
tronul a dobândit această viteză trecând printr-o diferență de potențial de 100 V.
Dacă un electron își începe mișcarea dintr-o stare de repaus, acesta
se va mișca uniform accelerat, rectiliniu împotriva forței
linii de câmp electric, care absorb energie din câmp. Electric
Câmpul magnetic pentru un electron se accelerează.
Dacă viteza inițială coincide cu direcția forței
liniile câmpului electric, un astfel de câmp pentru un electron este a
gemând. Viteza electronului va scădea, energia electricului
va scădea și ronul (va fi returnat pe teren). În cazul în care un

permiteți dimensiunea câmpului, electronul se va opri și apoi începe să se miște împotriva liniilor de forță ale acestui câmp.

Dacă viteza inițială este îndreptată împotriva liniilor de forță ale câmpului electric, un astfel de câmp pentru electron se accelerează. Câmpul electric deplasează sarcini pozitive în direcția liniilor de forță ale câmpului.

1.2. Tipuri de emisii electronice

Fenomenul de emisie de electroni de pe suprafața unui corp solid se numește emisie de electroni, iar sursa de electroni se numește emițător. În funcție de metodele de impact al energiei externe asupra electronilor care îi determină să părăsească emițătorul, se disting mai multe tipuri de emisie de electroni.

Emisia termoionică apare ca urmare a încălzirii emițătorului. Odată cu creșterea temperaturii, apar vibrații termice ale rețelei solide. Datorită acestei energii de excitație termică, o parte din electroni părăsește emițătorul, formând un curent de emisie. Cu cât temperatura emițătorului este mai mare, cu atât mai mulți electroni dobândesc o astfel de energie, ca urmare a creșterii curentului de emisie termoionică. Temperatura minimă la care apare curentul de emisie se numește critică. Depinde de materialul emițătorului.

Emisia secundară de electroni - emisie de electrificate secundare

electroni de la suprafața emițătorului atunci când acesta este iradiat cu un flux de electroni primari. Fluxul de electroni primar incident pe emițătorul secundar este parțial reflectat de suprafața acestuia și parțial pătrunde adânc în el. Aici, electronii primari se ciocnesc cu electronii rețelei cristaline a emițătorului, le oferă o parte din energia lor, excitându-i. O parte din electronii excitați intră în mediul extern, acești electroni sunt secundari.

Emisia electrostatică de electroni (autoelectronic)

ia naștere de la suprafața unui corp solid sau lichid sub acțiunea unui câmp electric extern accelerator de intensitate mare (107 V/m). Cu cât intensitatea câmpului este mai mare, cu atât este mai mare curentul de emisie a câmpului.

Emisia fotoelectronica apare atunci când emițătorul este iradiat cu un flux luminos. Eficiența acestui tip de emisie depinde de lungimea de undă (relație inversă) și de mărimea fluxului luminos (relație directă).

Pe baza legilor electrolizei stabilite de M. Faraday, omul de știință irlandez D. Stoney a formulat ipoteza că în interiorul atomului există o sarcină elementară. Și în 1891 Stoney a sugerat să numească această sarcină un electron. Sarcina unui electron este adesea notată cu e sau .

Legile electrolizei nu sunt încă dovada existenței electronului ca sarcină electrică elementară. Deci, a existat opinia că toți ionii monovalenți pot avea sarcini diferite, iar valoarea lor medie este egală cu sarcina electronului. Pentru a demonstra existența unei sarcini elementare în natură, a fost necesar să se măsoare sarcinile ionilor individuali, și nu cantitatea totală de electricitate. În plus, întrebarea a rămas deschisă dacă sarcina este asociată cu vreo particulă de materie. O contribuție semnificativă la soluționarea acestor probleme au avut-o J. Perrin și J. Thomson. Ei au investigat legile mișcării particulelor de raze catodice în câmpurile electrice și magnetice. Perrin a arătat că razele catodice sunt un flux de particule care poartă o sarcină negativă. Thomson a descoperit că toate aceste particule au rapoarte egale între sarcină și masă:

În plus, Thomson a arătat că raportul dintre particulele de raze catodice este același pentru diferite gaze și nu depinde de materialul din care a fost făcut catodul. Din aceasta s-a putut concluziona că particulele care alcătuiesc atomii diferitelor elemente sunt aceleași. Thomson însuși a concluzionat că atomii sunt divizibili. Dintr-un atom de orice substanță, pot fi scoase particule cu o sarcină negativă și o masă foarte mică. Toate aceste particule au aceeași masă și aceeași sarcină. Astfel de particule se numesc electroni.

Experimentele lui Millikan și Ioffe

Omul de știință american R. Milliken a demonstrat experimental că încărcarea elementară există. În experimentele sale, el a măsurat viteza de mișcare a picăturilor de ulei într-un câmp electric uniform, care a fost creat între două plăci electrice. Picătura a fost încărcată când a intrat în coliziune cu un ion. Au fost comparate vitezele unei picături fără sarcină și ale aceleiași picături după o coliziune cu un ion (dobândit o sarcină). Cunoscând intensitatea câmpului dintre plăci, a fost calculată sarcina picăturii.

Experimentele lui Millikan au fost repetate de A.F. Ioffe. A folosit moțuri de metal în loc de picături de ulei. Prin modificarea intensității câmpului dintre plăci, Ioffe a obținut egalitatea între forța gravitațională și forța Coulomb, în timp ce particulele de praf au rămas nemișcate. Granulele de praf au fost iluminate cu lumină ultravioletă. În același timp, sarcina sa s-a schimbat; pentru a echilibra forța gravitațională, a fost necesar să se schimbe intensitatea câmpului. Conform valorilor de intensitate obținute, omul de știință a apreciat raportul sarcinilor electrice ale unei particule de praf.

În experimentele lui Millikan și Ioffe, s-a demonstrat că încărcăturile particulelor de praf și picăturilor se schimbau întotdeauna brusc. Modificarea tarifului minim a fost:

Sarcina electrică a oricărui corp încărcat este egală cu un număr întreg și este un multiplu al sarcinii electronilor. Acum există o opinie că există particule elementare - quarci, care au o sarcină fracțională ().

Astfel, sarcina unui electron este considerată egală cu:

Exemple de rezolvare a problemelor

EXEMPLUL 1

Exercițiu

Într-un condensator plat, a cărui distanță dintre plăci este egală cu d, o picătură de ulei este nemișcată, masa sa este m. Câți electroni în exces sunt pe el dacă diferența de potențial dintre plăci este U?

Soluţie

În această problemă, este luat în considerare un analog al experimentului Millikan. O picătură de ulei este acționată de două forțe care se anulează reciproc. Acestea sunt gravitația și forța Coulomb (Fig. 1).

Deoarece câmpul din interiorul unui condensator plat poate fi considerat omogen, avem:

unde E este puterea câmpului electrostatic din condensator.

Mărimea forței electrostatice poate fi găsită ca:

Deoarece particula este în echilibru și nu se mișcă, atunci conform celei de-a doua legi a lui Newton obținem:

Din formula (1.3) exprimăm sarcina particulelor:

Cunoscând valoarea încărcăturii electronilor (), numărul de electroni în exces (creând sarcina picăturii), găsim ca:

Răspuns

EXEMPLUL 2