Открит е зарядът на електрона. Измерване на заряда на електрони

Този термин има други значения, вижте Електрон (значения). "Електрон 2" "Електрон" серия от четири съветски изкуствени спътнициЗемята е изстреляна през 1964 г. Предназначение ... Уикипедия

Електрон- (Новосибирск, Русия) Категория на хотела: 3-звезден хотел Адрес: 2-ри Краснодонски път ... Каталог на хотела

- (символ e, e), първи елемент. h tsa открит във физиката; матер. носител на най-малка маса и най-малка електрическа мощност. заряд в природата. д. компонентатоми; броят им в неутр. атом е равен на at. число, т.е. броят на протоните в ядрото. Заряд (e) и маса... ... Физическа енциклопедия

Електрон- (Москва, Русия) Категория на хотела: 2 звезден хотел Адрес: Andropov Avenue 38 building 2 ... Хотелски каталог

Електрон- (e, e) (от гръцки elektron кехлибар; вещество, което лесно се наелектризира от триене), стабилна елементарна частица с отрицателен електрически заряд e=1,6´10 19 C и маса 9´10 28 g. Принадлежи към класа на лептоните. Отворете английски физик… … Илюстрирано енциклопедичен речник

- (e e), стабилна отрицателно заредена елементарна частица със спин 1/2, маса прибл. 9.10 28 g и магнитен момент, равен на магнетона на Бор; принадлежи към лептоните и участва в електромагнитни, слаби и гравитационни взаимодействия.... ...

- (обозначение e), стабилна ЕЛЕМЕНТАРНА ЧАСТИЦА с отрицателен заряд и маса на покой 9,1310 31 kg (което е 1/1836 от масата на ПРОТОНА). Електроните са открити през 1879 г. от английския физик Джоузеф Томсън. Те се движат около ЯДРОТО,... ... Научно-технически енциклопедичен речник

Съществува., брой синоними: 12 делта електрон (1) лептон (7) минерал (5627) ... Речник на синонимите

Изкуствен спътник на Земята, създаден в СССР за изследване на радиационните пояси и магнитното поле на Земята. Те бяха изстреляни по двойки, едната по траектория, лежаща под и другата над радиационните пояси. През 1964 г. са изстреляни 2 двойки Electrons... Голям енциклопедичен речник

ЕЛЕКТРОН, ЕЛЕКТРОН, съпруг. (гръцки електронен кехлибар). 1. Частица с най-малък отрицателен електрически заряд, образуваща атом в комбинация с протон (физ.). Движението на електроните създава електричество. 2. само единици. Лека магнезиева сплав,... ... РечникУшакова

ЕЛЕКТРОН, а, м. (специален). Елементарна частица с най-малък отрицателен електрически заряд. Обяснителен речник на Ожегов. С.И. Ожегов, Н.Ю. Шведова. 1949 1992 … Обяснителен речник на Ожегов

Книги

• Електрон. Енергия на космоса, Ландау Лев Давидович, Китайгородски Александър Исаакович. Книги на лауреати Нобелова наградаЛев Ландау и Александър Китайгородски - текстове, които преобръщат филистерската представа за света около нас. Повечето от нас постоянно се сблъскват с...
• Електронна космическа енергия, Ландау Л., Китайгородски А.. Книгите на носителя на Нобелова награда Лев Ландау и Александър Китайгородски са текстове, които преобръщат филистимската представа за света около нас. Повечето от нас, постоянно изправени пред...

Учебно-методическо ръководство за лабораторна работа № 3.10k

по дисциплина "Физика"

Владивосток

МИНИСТЕРСТВО НА ОБРАЗОВАНИЕТО И НАУКАТА

Руска федерация

Федерална държавна автономна образователна институция за висше професионално образование

"Далекоизточен федерален университет (FEFU)

Училище природни науки

Определяне на специфичния заряд на електрона

Учебно помагало за лабораторна работа № 3.10

по дисциплина "Физика"

Владивосток

Далекоизточен федерален университет

UDC 53.082.1; 531.76

Определяне на специфичния заряд на електрона:учебно-методически ръководство за лабораторна работа № 3.10k по дисциплината „Физика“ / Далекоизточен федерален университет, Училище по природни науки / Comp. Н.П. Димченко, О.В. Плотникова. – Владивосток: Dalnevost. федерален унив., 2014. - 13 с.

Ръководството, изготвено в катедрата по обща физика на Факултета по естествени науки на Далекоизточния федерален университет, съдържа кратък теоретичен материал по темата „Движение на заредени частици в електрически и магнитни полета"и методически указания за изпълнение на лабораторна работа "Определяне на специфичния заряд на електрона" по дисциплината "Физика". Ръководството е предназначено за студенти от инженерното училище FEFU.

UDC 53.082.1; 531.76

© Dymchenko N.P., Plotnikova O.V., 2014

© Федерална държавна автономна образователна институция за висше професионално образование "FEFU", 2014 г

Лабораторна работа № 3.10k Определяне на специфичния заряд на електрона

Цел на работата:изучават законите на движение на заредени частици в електрически и магнитни полета, определят специфичния заряд на електрон e /m,с помощта на намотки на Helmholtz.

устройства:инсталация за демонстриране на силата на Лоренц и определяне отношението на заряда на електрона към неговата маса правоъгълен триъгълник.

Кратка теория.

Специфичен заряд на електрона e /ме една от основните константи, като скоростта на светлината с, константа на Планк ч, константа на Болцман ки други. Когато един електрон се движи в електрически и магнитни полета, траекторията на електрона се определя от конфигурацията на тези полета и съотношението на заряда на електрона към неговата маса.

Ако движеща се заредена частица е под въздействието на еднородни електрически и магнитни полета, тогава силата, действаща върху частицата, е равна на:

къде е скоростта на частиците, р– електрическият му заряд, - напрежение електрическо поле, - индукция на магнитно поле.

Тази сила се нарича сила на Лоренц. От формулата става ясно, че тя е равна на векторната сума на силите, действащи от електрическото и магнитното поле.

Нека разгледаме движението на заредена частица с постоянна скорост в еднородно магнитно поле, при условие че няма електрическо поле. В този случай само магнитният компонент на силата на Лоренц действа върху частицата:

Посоката на тази сила зависи от знака на заряда и може да се определи от правилото на десния винт (правило на лявата ръка), фиг. 1.

Абсолютната стойност на силата на Лоренц е:

където α е ъгълът между векторите на скоростта на частиците и индукцията на магнитното поле.

Ако една частица се движи със скорост, насочена по линиите на магнитната индукция, тогава силата не действа върху нея (F = 0), ускорението на частицата ще бъде равно на 0 и движението ще бъде равномерно.

Ако скоростта на една частица е насочена перпендикулярно на линиите на магнитната индукция, тогава частицата ще бъде под въздействието на сила, постоянна по големина: насочена перпендикулярно на скоростта и придаваща само нормално (центростремително) ускорение на частицата. В този случай скоростният модул не се променя. Обясни защо? В резултат на това частицата ще се движи в кръг, чийто радиус може да се намери въз основа на 2-ри закон на Нютон:

Орбитален период на частица:

От получения израз става ясно, че периодът на въртене на частица в еднородно магнитно поле не зависи от скоростта на частицата и е обратен на нейния специфичен заряд.

При известен радиус на траекторията на частицата, от израз (4) може да се намери скоростта на частицата:

Ако скоростта на заредена частица е насочена под ъгъл α към вектора на магнитната индукция, тогава нейното движение може да бъде представено като суперпозиция на две движения:

В резултат на добавянето на две движения се получава спираловидно движение, чиято ос е успоредна на силовите линии на магнитното поле (фиг. 2).

Разстояние чразстоянието между две най-близки завъртания на спиралата се нарича стъпка. Стъпката на спиралата е:

В тази лабораторна работа се разглежда движението на електрон в магнитно поле и всички получени зависимости се използват за описание на това движение.

Ориз. 2. Траекторията на заредена частица, летяща под ъгъл α спрямо силовите линии на еднородно магнитно поле. R – радиус, h – стъпка на спиралата.

Преминавайки през ускоряващата потенциална разлика U, електронът придобива скорост , чиято стойност може да се намери от равенството на работата на електрическото поле и кинетичната енергия на електрона (законът за запазване на енергията е написан за не -релативистичен случай):

където е зарядът на електрона (по модул), е масата на електрона.

Използвайки израз (6), намираме скоростта на електрона:

Замествайки (9) в (8) и изразявайки специфичния заряд на електрона, получаваме:

Експериментална настройка

Специфичният електронен заряд се определя с помощта на настройката, показана на фиг. 3. Основните елементи на инсталацията са: електронно-лъчева тръба 7, система от намотки на Хелмхолц 11, която създава равномерно магнитно поле в целия обем, покрит от намотките, и управляващите елементи, показани на фиг. 3.

Ориз. 3. Инсталация за определяне на специфичния заряд на електрона.

1 – Бутон за включване/изключване на устройството: 2 – трипозиционен превключвател, служи за промяна на посоката на намагнитващия ток в намотките на Helmholtz 11 „по часовниковата стрелка“, „изключено“, „обратно на часовниковата стрелка“; 3 – копче за регулиране на тока на намагнитване, токът се измерва с амперметър, разположен на предния панел на инсталацията; 4 – копче за регулиране на ускоряващото напрежение, отчитането му се извършва с волтметър, разположен на предния панел на инсталацията; 5 – превключвател, има три позиции, в За този експеримент той трябва да е в положение „изключено“, 6 – ръкохватка за регулиране на електростатичното поле, не се използва в този експеримент и трябва да е в крайна лява позиция; 7 – електроннолъчева тръба; 8, 10 устройства за измерване на диаметъра на електронния лъч; 9 – следа от електронния лъч.

Намотките на Хелмхолц са система от две тънки намотки, разположени коаксиално на разстояние между центровете на намотките, равно на техния радиус. Дебелината на намотките е значително по-малка от средния им диаметър. При тази геометрия на разположение на намотките индукцията на магнитното поле в целия обем между намотките е почти еднаква. Векторът на индукция на магнитното поле на намотките на Хелмхолц е насочен по оста на двете намотки към наблюдателя или встрани от наблюдателя, в зависимост от посоката на тока в намотките на Хелмхолц. Посоката на тока се превключва с превключвател 2, фиг. 3. Катодната тръба 7 е разположена в централната област на полето, създадено от тези намотки, фиг. 3.

Индукция на магнитно поле бвътре в пръстеновидна система може да се изчисли въз основа на закона на Био-Савар-Лаплас и принципа на суперпозиция на полета, създадени от два пръстена на Хелмхолц. Това изчисление дава израза за индукцията на магнитното поле:

където е магнитната константа, N = общ бройнавивки на две намотки, R е средният радиус на намотките, I е силата на тока в намотките на Хелмхолц.

Като се вземе предвид (11), формула (10) ще приеме формата:

където k означава израза: . Заместване в тази формулапостоянна стойност μ Ои стойностите на параметрите N и R на намотките на Helmholtz на тази инсталация, накрая получаваме следния израз за формула (12):

Работен ред

Устройството е подготвено за работа; не е позволено да въртите катодната тръба или да въртите или превключвате други бутони, освен посочените в тези инструкции. Продължителността на непрекъснатия експеримент не трябва да надвишава 45 минути.Превключвател 5, фиг. 3, трябва да е в положение "забранено". и в този експеримент неговата позицияне трябва да се променя. Избираме тока на намагнитване в рамките на 1 - 2 A, yЗадаваме ускоряващото напрежение в рамките на 150 – 200 V. Преди да изключите устройството, използвайте копчето за регулиране на тока 2 и ускоряващото напрежение 4, фиг. 3 завийте крайно наляво.

Ориз. 4 Електронен лъч в отсъствие на магнитно поле. За да се визуализира електронният лъч, малко количество инертен газ се напълва в предварително вакуумираната катодно-лъчева тръба. Поради сблъсъци между електрони и атоми на благороден газ, газовите атоми се възбуждат и след това излъчват зеленикава светлина, като по този начин показват пътя на електроните.

Ориз. 5. Изглед на електронен лъч в магнитно поле, създадено от магнитното поле на намотки на Хелмхолц.

Процедура за измерване

Както може да се види от работната формула (12), за експериментално определяне на специфичния заряд на електрона трябва да се измери ускоряващото напрежение U, сила на магнетизиращия ток ази радиус на електронния пръстен r. Измерваме ускоряващото напрежение и тока на намагнитване с волтметър и амперметър, разположени на предния панел на инсталацията. Измерваме радиуса на пръстена, като измерваме диаметъра на пръстена с помощта на измервателна линийка 10, фиг. 3. За да увеличите точността на измерване на радиуса на електронния пръстен, препоръчваме следната последователност от действия. Към измервателна линийка 3, фиг. 6, прикрепете с един крак правоъгълен триъгълник 2. След това преместете мерника 4 и триъгълник 2 и наблюдавайте с окото си позицията на десния ръб на пръстена по протежение на другия крак. Веднага щом ръбът на електронния пръстен, визьорът и окото на наблюдателя са на една и съща линия, измерваме координатите на този ръб на пръстена. След това преброяваме левия край на електронния лъч по същия начин. Разликата между тези координати ще даде стойността на диаметъра на електронния пръстен, съответстваща на дадените стойности на ускоряващото напрежение и силата на магнетизиращия ток в пръстените на Хелмхолц. Тази процедура намалява грешката при измерване на диаметъра на пръстена, свързана с паралакса, промяна в позицията на визьора, когато очите на наблюдателя се изместят в посока, перпендикулярна на зрителната линия.

След като усвоите техниката на необходимите показания, трябва да преминете към основния експеримент. Задаваме тока на намагнитване на 1,50 A, измерваме диаметрите на пръстените при 3 различни ускоряващи напрежения: 150, 175, 200 V. След това задаваме ускоряващото напрежение на 175 V и измерваме диаметрите на пръстените при три стойности на ток на намагнитване: 1.00 A, 1.50 A, 2.00 A. Резултатите от измерването се въвеждат в предварително изготвена таблица. Посочените показания трябва да се правят с точност до половината от стойността на делението на измервателните уреди

Таблица №1

Таблица с експериментални данни

Обработка на резултатите от експеримента.

,

където .– абсолютна грешка азтото измерване на специфичния заряд, е коефициентът на Student, n е броят на измерванията, в нашия случай са избрани 6 измервания, α е коефициентът на надеждност на Student. При лабораторни измервания се препоръчва да се настрои на 95%.

Изчислете относителната грешка ε на специфичния заряд на електрона, като използвате формулата:

Запишете крайния резултат и го сравнете с табличната стойност на специфичния заряд на електрона.

). Според промените в дефинициите на базовите единици, SI е точно равен на 1,602 176 634⋅10 −19 A s. Тясно свързана с константата на фината структура, която описва електромагнитното взаимодействие.

Квантуване на електрически заряд

Всеки експериментално наблюдаван електрически заряд винаги е кратен на един елементарен- това предположение е направено от Б. Франклин през 1752 г. и впоследствие многократно е тествано експериментално. Елементарният заряд е измерен за първи път експериментално от Миликан през 1910 г.

Фактът, че електрическият заряд се среща в природата само под формата на цяло число елементарни заряди, може да се нарече квантуване електрически заряд . В същото време в класическата електродинамика въпросът за причините за квантуването на заряда не се обсъжда, тъй като зарядът е външен параметър, а не динамична променлива. Все още не е намерено задоволително обяснение защо зарядът трябва да бъде квантован, но вече са получени редица интересни наблюдения.

Дробен електрически заряд

Многократните търсения на дългоживеещи свободни обекти с частичен електрически заряд, извършвани с различни методи за дълъг период от време, не дадоха резултат.

Струва си да се отбележи обаче, че електрическият заряд на квазичастиците може също да не е кратен на цялото. По-специално, квазичастиците с дробен електрически заряд са отговорни за фракционния квантов ефект на Хол.

Експериментално определяне на елементарен електричен заряд

Числото на Авогадро и константата на Фарадей

Ефект на Джоузефсън и константа на фон Клицинг

Друг прецизен метод за измерване на елементарния заряд е да се изчисли от наблюдението на два ефекта на квантовата механика: ефектът на Джоузефсън, който произвежда флуктуации на напрежението в определена свръхпроводяща структура, и квантовият ефект на Хол, ефектът от квантуването на съпротивлението на Хол или проводимост на двумерен електронен газ в силни магнитни полета и при ниски температури. Джоузефсонова константа

Където ч- Константата на Планк, може да се измери директно с помощта на ефекта на Джоузефсън.

може да се измери директно с помощта на квантовия ефект на Хол.

От тези две константи може да се изчисли величината на елементарния заряд:

Бележки

1. Елементарно зареждане(Английски) . Справочник на NIST за константи, единици и несигурност. . Посетен на 20 май 2016.
2. Стойността в единици SGSE е дадена в резултат на преизчисляване на стойността на CODATA в кулони, като се вземе предвид фактът, че един кулон е точно равен на 2 997 924 580 единици електрически заряд SGSE (франклини или статкулони).

Електронът е елементарна частица, която има отрицателен електрически заряд. То е равно на -1. Електронът е част от всички атоми и следователно от всяко вещество. Електронът е най-леката електрически заредена частица. Електроните обикновено се означават с "e−".

Какво е важно да знаем за електроните

В метала някои електрони могат да се движат свободно, тъй като не са свързани с атоми, което прави металите добри проводници на електричество. Поради малката си маса, електронът е частицата, която участва най-много в развитието на частичната теория на относителността, квантовата механика и релативистката квантова теория на полето.

Общоприето е, че в наше време уравненията, които описват поведението на електроните при всички физически условия, са напълно известни. Всички електрони се подчиняват на статистиката на Дирак-Ферми. Това се изразява в принципа на Паули, според който два електрона не могат да съществуват в едно и също квантово състояние.

Едно следствие от този принцип е, че състоянията на валентните електрони (най-слабо свързаните електрони), които определят Химични свойстваатомите зависят от зарядното число (атомния номер), което равно на числотоелектрони в атом.

Друго следствие е, че „облаците“ от електрони, които обгръщат ядрата на атомите, имат съпротивление срещу припокриването им. В резултат на това веществото има тенденция да заема определено пространство. Сега знаете какво е електрон, но какви са неговите характеристики?

Характеристики на електроните

Както подобава на всички елементарни частици, броят на основните характеристики на електрона е малък:

1. Маса (me, измерена в MeV или грамове);
2. Заряд (?e, измерен в C);
3. Спин (1/2ћ, измерено в J s, където ћ е константата на Планк h, разделена на 2).

Всички други характеристики на електроните се изразяват чрез тези характеристики, например магнитният момент, измерен в J/T.

Електронна структура

Структурата на електрона е подобна на структурата на атома. Електронът се състои от отрицателно заредена обвивка и положително заредено ядро ​​(масата на тази частица).

Електронното ядро ​​се състои от електронни антинеутрино (положителния заряд на ядрото). Електронната обвивка се състои от фотони.

Броят на фотоните в електронната обвивка повече бройантинеутрино в ядрото. Тъй като електронът има излишък от отрицателен заряд, той е отрицателно зареден. Неутриното също е съставна частица, която представлява свързаните състояния на фотон и гравитон.

Сега знаете всичко за това какво е електрон!

Електрон
Електрон

Електрон– най-леката отрицателно заредена частица, съставна част на атома. Електронът в атома е свързан с централното, положително заредено ядро ​​чрез електростатично привличане. Има отрицателен заряд e = 1,602. 10 -19 C, маса m e = 0,511 MeV/c 2 = 9,11. 10 -28 g и центрофуга 1/2 (в единици ћ), т.е. е фермион. Магнитен моментелектрон μ e >>μ B, където μ B = eћ/2m e c е магнетонът на Бор (използва се системата от единици на Гаус), което е в съответствие с точковия модел безструктурна частица(според експериментални данни размерът на електрона< 10 -17 см). В пределах точности эксперимента электрон стабильная частица. Его время жизни
τ e > 4,6. 10 26 години.
Електронът принадлежи към класа на лептоните, т.е. не участва в силното взаимодействие (участва в останалите - електромагнитно, слабо и гравитационно). Описанието на електромагнитното взаимодействие на електрона се дава от квантовата електродинамика - един от клоновете на квантовата теория на полето). Електронът има специална характеристика, присъща на лептоните - електрон лептонно число +1.
Античастицата на електрона е позитронът e +, който се различава от електрона само по знаците на електрическия заряд, лептонното число и магнитния момент.

Основни характеристики на електрона

Електронът е първият открит елементарни частици- е открит от J. J. Thomson през 1897 г. Чрез изучаване на характеристиките на газовия разряд, Thomson показва, че катодните лъчи, произведени в газоразрядната тръба, се състоят от отрицателно заредени частици материя. Чрез отклоняване на катодни лъчи в електрически и магнитни полета, той определя съотношението на заряда към масата на тези частици e/m = 6,7·10 17 единици. SGSE/g ( съвременно значение 5,27·10 17 единици SGSE/g). Той показа, че катодните лъчи са поток от частици, по-леки от атомите, и не зависят от състава на газа. Тези частици бяха наречени електрони. Откриването на електрона и установяването на факта, че всички атоми съдържат електрони предостави важна информация за вътрешна структураатом.