Реферат на тему электроны

Обновлено: 05.07.2024

Электро́н (от др.-греч. ἤλεκτρον — янтарь [3] ) — стабильная, отрицательно заряженная элементарная частица, одна из основных структурных единиц вещества. Является фермионом (то есть имеет полуцелый спин). Относится к лептонам (единственная стабильная частица среди заряженных лептонов). Из электронов состоят электронные оболочки атомов, где их число и положение определяет почти все химические свойства веществ. Движение свободных электронов обусловливает такие явления, как электрический ток в проводниках и вакууме.

Содержание

Свойства

Заряд электрона неделим и равен −1,602176565(35)·10 −19 Кл [1] (или −4,80320427(13)·10 −10 ед. заряда СГСЭ в системе СГСЭ или −1,602176565(35)·10 −20 ед. СГСМ в системе СГСМ); он был впервые непосредственно измерен в экспериментах (англ.) А. Ф. Иоффе (1911) и Р. Милликена (1912). Эта величина служит единицей измерения электрического заряда других элементарных частиц (в отличие от заряда электрона, элементарный заряд обычно берётся с положительным знаком). Масса электрона равна 9,10938291(40)·10 −31 кг. [1]

кг [1] — масса электрона.

Кл [1] — заряд электрона.

>" width="" height="" />
— спин электрона в единицах

Согласно современным представлениям физики элементарных частиц, электрон неделим и бесструктурен (как минимум до расстояний 10 −17 см). Электрон участвует в слабом, электромагнитном и гравитационном взаимодействиях. Он принадлежит к группе лептонов и является (вместе со своей античастицей, позитроном) легчайшим из заряженных лептонов. До открытия массы нейтрино электрон считался наиболее лёгкой из массивных частиц — его масса примерно в 1836 раз меньше массы протона. Спин электрона равен 1/2, и, таким образом, электрон относится к фермионам. Как и любая заряженная частица со спином, электрон обладает магнитным моментом, причем магнитный момент делится на нормальную часть и аномальный магнитный момент. Иногда к электронам относят как собственно электроны, так и позитроны (например, рассматривая их как общее электрон-позитронное поле, решение уравнения Дирака). В этом случае отрицательно заряженный электрон называют негатроном, положительно заряженный — позитроном. [источник не указан 120 дней]

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

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

Этимология и история открытия

Открытие волновых свойств [7] . Согласно гипотезе де Бройля (1924), электрон (как и все другие материальные микрообъекты) обладает не только корпускулярными, но и волновыми свойствами. Де-бройлевская длина волны нерелятивистского электрона равна " width="" height="" />
, где — скорость движения электрона. В соответствии с этим электроны, подобно свету, могут испытывать интерференцию и дифракцию. Волновые свойства электронов были экспериментально обнаружены в 1927 американскими физиками К. Дэвиссоном и Л. Джермером (Опыт Дэвиссона — Джермера) и независимо английским физиком Дж. П. Томсоном.

Использование

В большинстве источников низкоэнергетичных электронов используются явления термоэлектронной эмиссии и фотоэлектронной эмиссии. Высокоэнергетичные, с энергией от нескольких кэВ до нескольких МэВ, электроны излучаются в процессах бета-распада и внутренней конверсии радиоактивных ядер. Электроны, излучаемые в бета-распаде, иногда называют бета-частицами или бета-лучами. Источниками электронов с более высокой энергией служат ускорители.

Движение электронов в металлах и полупроводниках позволяет легко переносить энергию и управлять ею; это является одной из основ современной цивилизации и используется практически повсеместно в промышленности, связи, информатике, электронике, в быту. Скорость дрейфа электронов в проводниках очень мала (~0,1—1 мм/с), однако электрическое поле распространяется со скоростью света. В связи с этим ток во всей цепи устанавливается практически мгновенно.

Пучки электронов, ускоренные до больших энергий, например, в линейных ускорителях, являются одним из основных средств изучения строения атомных ядер и природы элементарных частиц. Более прозаическим применением электронных лучей являются телевизоры и мониторы с электронно-лучевыми трубками (кинескопами). Электронный микроскоп также использует способность электронных пучков подчиняться законам электронной оптики. До изобретения транзисторов практически вся радиотехника и электроника были основаны на вакуумных электронных лампах, где применяется управление движением электронов в вакууме электрическими (иногда и магнитными) полями. Электровакуумные приборы (ЭВП) продолжают ограниченно использоваться и в наше время; наиболее распространённые применения — магнетроны в генераторах микроволновых печей и вышеупомянутые электронно-лучевые трубки (ЭЛТ) в телевизорах и мониторах.

Электрон как квазичастица

Если электрон находится в периодическом потенциале, его движение рассматривается как движение квазичастицы. Его состояния описываются квазиволновым вектором. Основной динамической характеристикой в случае квадратичного закона дисперсии является эффективная масса, которая может значительно отличаться от массы свободного электрона и в общем случае является тензором.

Электрон и Вселенная

Известно [8] , что из каждых 100 нуклонов во Вселенной, 87 являются протонами и 13 — нейтронами (последние в основном входят в состав ядер гелия). Для обеспечения общей нейтральности вещества число протонов и электронов должно быть одинаково. Плотность барионной (наблюдаемой оптическими методами) массы, которая состоит в основном из нуклонов, достаточно хорошо известна (один нуклон на 0,4 кубического метра) [9] . С учётом радиуса наблюдаемой Вселенной (13,7 млрд световых лет) можно подсчитать, что число электронов в этом объёме составляет ~10 80 , что сопоставимо с большими числами Дирака.

Рассмотрение гипотезы Франклина об электричестве. Ознакомление с предпосылками открытия электрона. Характеристика атома согласно модели Томсона. Изучение роли открытия атома, которое привело к раскрытию механизма излучения электромагнитной энергии.

Рубрика	Физика и энергетика
Вид	реферат
Язык	русский
Дата добавления	04.10.2014
Размер файла	117,4 K

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Предпосылки открытия, гипотезы

В 1749 году Бенджамин Франклин высказал гипотезу, что электричество представляет собой своеобразную материальную субстанцию. Центральную роль электрической материи он отводил представлению об атомистическом строении электрического флюида. В работах Франклина впервые появляются термины: заряд, разряд, положительный заряд, отрицательный заряд, конденсатор, батарея, частицы электричества.

Иоганн Риттер в 1801 году высказал мысль о дискретной, зернистой структуре электричества.

Вильгельм Вебер в своих работах с 1846 года вводит понятие атома электричества и гипотезу, что его движением вокруг материального ядра можно объяснить тепловыми и световыми явлениями.

История открытия электрона

На протяжении всего XIX в. атом считался неделимым, лишенным каких-либо характерных особенностей и не имеющим внутренней структуры. Однако после проведения ряда экспериментов, которые по своей природе даже не были химическими, эта точка зрения была отвергнута. К ломке старых представлений привело изучение электрического тока.

Как известно, между положительно и отрицательно заряженными точками устанавливается электрическое напряжение. Под действием такого напряжения заряды перемещаются от точки с большим потенциалом к точке с меньшим потенциалом. Таким образом, возникает электрический ток, который стремится выровнять разность потенциалов между двумя точками электрического поля.

Первые исследователи электричества в своих еще не очень серьезно обоснованных экспериментах установили, что некоторые жидкости, например растворы солей, проводят электрический ток сравнительно легко. Молния -- электрический разряд, образующийся во время грозы,-- мгновенно распространяется через толщу воздуха в несколько километров.

Экспериментаторам XIX в. представлялось весьма заманчивым попытаться пропустить ток через вакуум. Но чтобы результаты такого эксперимента были надежными, необходимо было получить достаточно глубокий вакуум. Попытки Фарадея пропустить электрический ток через вакуум окончились неудачей только потому, что ему не удалось получить достаточно глубокого вакуума.

В 1855 г. немецкий стеклодув Генрих Гейслер изготовил стеклянные сосуды особой формы и вакуумировал их им же изобретенным способом. Его друг немецкий физик и математик Юлиус Плюккер использовал эти трубки Гейслера для изучения электрических разрядов в вакууме и газах.

Естественно предположить, что катодные лучи представляют собой какую-то форму света, обладающую волновым характером. Волны, подобно свету, распространяются прямолинейно и, подобно свету, не испытывают влияния сил тяготения. В то же время катодные лучи вполне могут представлять собой частицы, движущиеся с огромной скоростью. Поскольку масса этих частиц чрезвычайно мала или поскольку они движутся чрезвычайно быстро (или и по той, и по другой причине), они или вообще не испытывают действия силы тяжести, или же это действие не проявляется в сколько-нибудь заметной степени. В течение нескольких десятилетий ученые не могли прийти к единому мнению относительно природы катодных лучей. Причем немецкие физики решительно выступали за то, чтобы считать катодные лучи колебаниями, а английские физики столь же решительно настаивали на том, что катодные лучи -- это частицы.

Решить этот спор можно было бы, попытавшись установить, отклоняются ли катодные лучи под действием магнитного поля.

Сам Плюккер и независимо от него Крукс показали, что такое отклонение существует. Оставалось решить еще один вопрос. Если катодные лучи представляют собой заряженные частицы, то электрическое поле также должно их отклонять. Однако доказать, что катодные лучи отклоняются в электрическом поле, удалось далеко не сразу. Только в 1897 г, английский физик Джозеф Джон Томсон (1856--1940), работая с трубками с очень глубоким вакуумом, сумел в конце концов показать, что катодные лучи отклоняются под действием электрического поля.

Это было последним звеном в цепи доказательств, и теперь оставалось лишь согласиться с тем фактом, что катодные лучи представляют собой поток отрицательно заряженных частиц. Величина отклонения частицы в магнитном поле заданной напряженности определяется массой частицы и величиной ее электрического заряда. Томсону удалось измерить соотношение массы и заряда частицы, хотя измерить эти величины отдельно он не смог.

Как известно, наименьшей массой обладает атом водорода, и если предположить, что частица катодных лучей имеет такую же массу, то электрический заряд ее должен быть в сотни раз больше, чем наименьший известный заряд (заряд иона водорода). В то же время если предположить, что заряд частицы катодных лучей равен минимальному заряду, наблюдаемому у ионов, то в этом случае масса частицы должна быть во много раз меньше массы атома водорода. Поскольку Томсон определил только соотношение массы и заряда, то равновероятны были оба варианта.

Если частица катодных лучей несет такой минимальный заряд, ее масса должна составлять лишь 1/1837 массы атома водорода. Таким образом, была открыта первая из субатомных частиц.

Опыт Томсона заключался в изучении пучков катодных лучей, проходящих через систему параллельных металлических пластин, создававших электрическое поле и систем катушек, создававших магнитное поле. Обнаружено, что лучи отклонялись при действии отдельно обоих полей, а при определенном соотношении между ними пучки не изменяли прямой траектории. Это соотношение полей зависело от скорости частиц. Проведя ряд измерений, Томсон выяснил, что скорость движения частиц гораздо ниже скорости света -- таким образом было показано, что частицы должны обладать массой. Далее было выдвинуто предположение о наличии этих частиц в атомах и предложена модель атома, впоследствии развитая в опытах Резерфорда.

Рис. 2 Модель Томсона

Заслугой Томсона явилось доказательство того, что все частицы, образующие катодные лучи, тождественны друг другу и входят в состав вещества. С помощью разрядной трубки особого типа ,Томсон измерил скорость и отношение заряда к массе частиц катодных лучей, позднее названных электронами. Электроны вылетали из катода под действием высоковольтного разряда в трубке. Через диафрагмы D и E проходили только те из них, что летели вдоль оси трубки.

Отношение заряда к массе. Трубка, использованная английским физиком Дж.Томсоном для определения отношения заряда к массе для катодных лучей. Эти опыты привели к открытию электрона.

Кроме того, в той же области трубки с помощью пары катушек с током могло создаваться магнитное поле, способное отклонять электроны в противоположном направлении. Сила, действующая со стороны магнитного поля, пропорциональна напряженности поля, скорости частицы и ее заряду. Томсон отрегулировал электрическое и магнитное поля так, чтобы полное отклонение электронов было равно нулю, т.е. электронный пучок вернулся в первоначальное положение. электрон атом томсон франклин

Томсон установил, что эта скорость зависит от напряжения на трубке и что кинетическая энергия электронов прямо пропорциональна этому напряжению. Комбинируя уравнения с выражением для скорости электрона, он нашел отношение заряда к массе.

Эксперименты Томсона показали, что электроны в электрических разрядах могут возникать из любого вещества. Поскольку все электроны одинаковы, элементы должны различаться лишь числом электронов. Кроме того, малая величина массы электронов указывала на то, что масса атома сосредоточена не в них. Дж. Томсон, внесший огромный вклад в экспериментальное изучение строения атома, стремился найти модель, которая позволила бы объяснить все его известные свойства. Поскольку преобладающая доля массы атома сосредоточена в его положительно заряженной части, он принял, что атом представляет собой сферическое распределение положительного заряда радиусом примерно 10-10 м, а на его поверхности находятся электроны, удерживаемые упругими силами, позволяющими им колебаться (рис. 3). Суммарный отрицательный заряд электронов в точности компенсирует положительный заряд, так что атом электрически нейтрален. Электроны находятся на сфере, но могут совершать простые гармонические колебания относительно положения равновесия.

Открытие электрона оказало колоссальное влияние на развитие современной физики, привело к раскрытию механизма излучения и поглощения электромагнитной энергии, механизма взаимодействия электромагнитных волн с веществом. Электрон стал в наши дни фундаментом грандиозного здания электроники.

Электрон оказался не только объектом, но и средством излучения свойств материи. Наглядным примером этому является бурное развитие ускорительной техники.

Все вокруг нас на планете состоит из маленьких, неуловимых для зрения частиц. Электроны – это одни из них. Их открытие произошло относительно недавно. И оно открыло новые представления о структуре атома, механизмах передачи электричества и устройства мира в целом.

Как делили неделимое

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

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

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

Открытие новой частицы

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

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

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

Что же такое электрон?

Электроны – это наиболее легкие частицы, обладающие электрическим зарядом. Наши знания о них до сих пор остаются во многом противоречивыми и неполными. Например, в современных представлениях они живут вечно, так как никогда не распадаются, в отличие от нейтронов и протонов (теоретический возраст распада последних превышает возраст Вселенной).

Электроны стабильны и обладают постоянным отрицательным зарядом е=1,6 х 10 -19 Кл. Их относят к семье фермионов и группе лептонов. Частицы участвуют в слабом электромагнитном и гравитационном взаимодействии. Они находятся в составе атомов. Частицы, которые потеряли связь с атомами, – свободные электроны.

Масса электронов составляет 9,1 х 10 -31 кг и является в 1836 раз меньше массы протона. Они обладают полуцелым и спином, и магнитным моментом. Электрон обозначается буквой "е - ". Так же, но со знаком плюс, обозначается его антагонист – античастица позитрон.

Состояние электронов в атоме

Когда выяснилось, что атом состоит из более мелких структур, нужно было понять, как именно они располагаются в нем. Поэтому в конце XIX века появляются первые модели атома. Согласно Планетарным моделям, протоны (положительно заряженные) и нейтроны (нейтральные) составляли атомное ядро. А вокруг него по эллиптическим орбитам двигались электроны.

Эти представления меняются с появлением квантовой физики в начале XX века. Луи де Бройль выдвигает теорию о том, что электрон проявляет себя не только как частица, но и как волна. Эрвин Шредингер создает волновую модель атома, где электроны представляются в виде облака определенной плотности с зарядом.

Энергетические уровни

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

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

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

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

Заключение

Итак, электроны – это стабильные отрицательно заряженные частицы. Они элементарные и не могут распадаться на другие элементы. Их относят к фундаментальным частицам, то есть таким, которые входят в структуру вещества.

Электроны движутся вокруг атомных ядер и составляют их электронную оболочку. Они влияют на химические, оптические, механические и магнитные свойства различных веществ. Эти частицы участвуют в электромагнитном и гравитационном взаимодействии. Их направленное движение создает электрический ток и магнитное поле.

Telegram канал

Рассылка актуальной информации о докладах "АЛЛАТРА НАУКА"

Последние комментарии

Активность Солнца

Климатические события

Электрон

Сохранить PDF-файл доклада можно в архиве по ссылке или с Яндекс-диска, или же с Google-docs

Так вот, электрон, как известно, в материальном мире может существовать в двух состояниях одновременно: частицы и волны. Он может проявляться сразу в разных местах, согласно той же квантовой физике. Уходя или точнее исчезая со своей атомной орбиты, электрон мгновенно перемещается, то есть здесь исчезает, а на другой орбите проявляется.

Но, что самое интересное в этом вопросе, так это то, о чём учёные пока ещё не знают. Рассмотрим, например, электрон атома водорода — элемента, который входит в состав воды, живых организмов, природных ископаемых и является одним из распространённых элементов в космосе. Электронное облако, расположенное вокруг ядра атома водорода, представляет собой форму шара. Это то, что может зафиксировать на современном этапе наука. Но учёные пока не знают, что электрон сам по себе закручен в спираль. Причём эта спираль (одна и та же) может быть закручена как в левую, так и правую сторону в зависимости от расположения на ней заряда. Вот именно благодаря такой спиралевидной форме и изменению места концентрации заряда этот электрон легко переходит из состояния частицы в волну и наоборот.

Приведу образный пример. Представь, что в твоих руках апельсин. С помощью ножа ты аккуратно снимаешь с него кожуру цельно, по кругу, как бы по спирали, двигаясь от одной его вершины, скажем условно, от точки А к другой — точке Б. Если такую кожуру отделить от апельсина, то в привычном сложенном виде она будет представлять собой форму шара, повторяя контуры апельсина. А если её растянуть, то она будет похожа на волнообразную верёвку. Так вот, оранжевая сторона кожуры апельсина будет представлять собой в нашем образном примере спираль электрона, где на поверхности в районе точки А находится внешний заряд, а в районе точки Б изнутри (на белой стороне кожуры) — внутренний заряд. Любое внешнее изменение в точке А (на оранжевой стороне кожуры) приведёт к такому же мгновенному внутреннему, но противоположному по силе и воздействию, изменению в точке, расположенной на белой стороне кожуры под вершиной Б. Как только спадает внешний заряд электрона, то под воздействием внутреннего потенциала спираль растягивается и электрон переходит в состояние волны. Когда же снова появляется внешний заряд, который образуется вследствие взаимодействия волны с материей, спираль сжимается, и электрон опять переходит в состояние частички. В состоянии частички электрон имеет внешний отрицательный заряд и левостороннюю спираль, а в состоянии волны правостороннюю спираль и внешний положительный заряд. И всё это преобразование происходит благодаря эзоосмосу.

Наблюдатель с позиции трёхмерного измерения может при создании определённых технических условий видеть электрон как частицу. Но Наблюдатель с позиции высших измерений, который будет видеть наш материальный мир в виде энергий, сможет наблюдать другую картину строения того же электрона. В частности, что информационные кирпичики, образующие этот электрон, будут проявлять исключительно свойства энергетической волны (растянутой спирали). Причём эта волна будет бесконечна в пространстве. Проще говоря, положение самого электрона в общей системе реальности таково, что он будет находиться везде в материальном мире.

Анастасия: Можно сказать, что он будет существовать, вне зависимости от того, видим мы его как Наблюдатели трёхмерного мира или нет?

Ригден: Да. Для того чтобы это понять, давай рассмотрим ещё один пример — с зеркалом. Допустим, несколько фундаментальных информационных кирпичиков образуют структуру, которая представляет собой локальную точку, некий объект. Поместим его посреди комнаты, в которой под определённым углом во множестве расставлены зеркала таким образом, что он отражается в каждом из них. Итак, объект находится посредине комнаты, отражается в каждом зеркале, к тому же мы видим его, следовательно, информация о нём есть и в нашем сознании. Одним словом, информация об этом объекте одновременно присутствует в нескольких местах. И если мы уберём одно из зеркал, то в том месте мы не будем наблюдать данный объект. Но когда вернём зеркало, он вновь появится. Значит в принципе, информация о нём не исчезала. Просто при определённых условиях проявления информации мы видим объект, изменились условия — мы его не видим. Однако объективно данный объект продолжает существовать в том месте в информационном плане. Отражение может иметь непрерывный поток, значит, этот объект есть в каждой точке данной комнаты (и, кстати, не только комнаты, но и пространства, выходящего за переделы комнаты), вне зависимости от того, видим мы его или нет.

Согласно квантовой физике, пребывание электрона в состоянии частицы зависит от самого акта измерения или наблюдения. Другими словами неизмеряемый и ненаблюдаемый электрон ведёт себя не как частица, а как волна. В этом случае для него существует целое поле вероятностей, так как он находится здесь и сейчас во множестве мест одновременно, то есть в состоянии суперпозиции. При этом, несмотря на то, что электрон занимает множественное положение, это будет один и тот же электрон и одна и та же волна. Суперпозиция — это возможность одновременного нахождения во всех возможных альтернативных состояниях, пока не сделан выбор, пока Наблюдатель не совершил измерение (вычисление данного объекта). Как только Наблюдатель фокусирует внимание на поведении электрона, как он, в смысле электрон, сразу же схлопывается в частицу, то есть превращается из волны в материальный объект, положение которого можно локализовать. Словом, после измерения, так сказать, выбора Наблюдателя, один объект будет находиться только в одном месте.

Анастасия: Да, насколько сложен этот мир и как очевидны в нём могут быть простые вещи.

Ригден: Так вот, касательно квантовой физики… С одной стороны, это понятие о Наблюдателе расширило границы познания учёных, с другой — завело в тупик. Ведь позиция Супернаблюдателя доказывает, что существует некая огромная сила, которая способна оказывать влияние извне на Вселенную, на все её объекты и все процессы, происходящие в ней.

Анастасия: Фактически это ещё один путь научного доказательства существования Бога?

Сохранить PDF-файл доклада можно в архиве по ссылке или с Яндекс-диска, или же с Google-docs

Читайте также: