Сколько электронов в вакууме

Электроны: на задворках атомов

Электроны, крохотные объекты, населяющие задворки атомов, играют ведущую роль в химии, переносят электрический ток по нашим электрическим сетям и внутри ударов молний, и составляют «катодные лучи», использовавшиеся для создания изображений в телевидении XX века и на экранах компьютеров. Это наиболее типичный пример (вроде бы) элементарных частиц.

Под «элементарными» я подразумеваю, что электроны неделимы и не состоят из частиц меньшего размера. При помощи «вроде бы» я напоминаю, что они элементарны, насколько нам позволяют судить об этом современные знания – то, что мы знаем об электронах, получено в экспериментах, а наши эксперименты не обладают бесконечной властью. Если электроны не элементарны, но настолько малы, что наши текущие эксперименты не могут их разломать – они будут выглядеть элементарными во всех экспериментах, проведённых нами в прошлом и настоящем, но не во всех будущих экспериментах. Так что, когда-нибудь – ведь 80 лет назад люди считали, что протоны могут быть элементарными, но им не хватало знаний, а 150 лет назад люди считали, что атомы могут быть элементарными, но им не хватало знаний – мы можем обнаружить, что электроны не элементарны. Но пока, поскольку все доступные нам эксперименты демонстрируют, что они элементарны, мы будем условно предполагать, что так и есть – помня, что это частично экспериментальный факт, и частично – предположение!

Электрон стал первой из обнаруженных субатомных частиц (первым найденным объектом, чей размер был меньше атома). Во времена его открытия, в 1890-х (обычно пишут 1897 год, но это открытие было в некотором роде постепенным), научные дебаты по поводу того, состоит ли материя из атомов, или же атомы были просто выдумкой, удобной для описания поведения материи, подходили к концу. Но даже те, кто верил в существование атомов, не обязательно считали, что атомы были неделимы (как предполагало их имя, произошедшее от греческого «неразрезаемый»). Поколение спустя, к середине 1930-х, физики подтвердили существование атомов, поняли их базовую структуру и узнали, как подсчитывать их свойства с высокой точностью. Эти подсчёты они провели с помощью уравнений из теории поведения материи 1920-х годов, называемой «квантовая механика», ставшей необходимой потому, что знаменитые уравнения Ньютона не справлялись с описанием работы атомов. Многие ключевые проверки точности квантовой механики были связаны с точными измерениями поведения электронов внутри и снаружи атомов.

Все электроны идентичны и неразличимы; если я поменяю два из них местами, вы не сможете этого обнаружить. Так что я могу писать о «свойстве электрона», а вы можете быть уверены в том, что эти свойства таковы для всех электронов. Какие же свойства присущи им?

Масса!

У электрона есть масса – она мала по сравнению с массой любого атома, поэтому про неё обычно можно забыть в начальных классах химии, но она не настолько мала, чтобы забыть о ней в физике частиц и даже в понимании структуры атомов. Хотя электроны не вносят значительного вклада в массу атома, масса электрона необходима для определения размера атома. В этом, в частности, заключается важность поля и частицы Хиггса. Эту массу можно записать по-разному, и каждый из способов даёт вам свою перспективу:

• Она равна примерно 9 × 10 -31 кг = 0.000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 9 кг.
• Она равна примерно 0,05% (точнее, 1/1838) массы атома водорода – легчайшего атома в природе. Большая часть его массы содержится в его ядре.
• Энергия, хранящаяся в массе электрона, E = mc 2 , равна 0,000 511 ГэВ. Это в 200 000 раз больше энергии, переносимой одним фотоном зелёного цвета. В физике частиц масса частицы часто записывается через обратное взаимоотношение энергии и массы: для стационарной частицы m = E / c 2 . В этих терминах масса электрона равна 0,000511 ГэВ / c 2 .

Электрический заряд!

У электрона есть электрический заряд – а значит, на него действуют электрическое и магнитное поля. На электрически заряженную частицу в присутствии электрического поля будет действовать электрическая сила. Именно такие силы удерживают электроны внутри их атомов.

Насколько велик электрический заряд электрона? Представьте себе статическое электричество – вы прошли в ботинках по ковру, а затем, прикоснувшись к дверной ручке, другому человеку или компьютеру (. ), вы почувствуете искру. Эта искра переносит заряд из одного места в другое – и обычно она в 10 миллионов миллионов раз больше заряда, переносимого электроном. Физики измеряют заряд с использованием произвольно выбранной единицы под названием кулон (так же, как время измеряется в секундах и длина в метрах). В типичном заряде статического электричества содержится одна миллионная доля кулона. Величину заряда электрона обычно обозначают e, и e примерно равно 1,6 × 10 -19 Кл.

Размер?

Размер электрона неизвестен; он может оказаться точечным объектом без размера, или у него может быть чрезвычайно малый размер, радиус которого не превышает 10 -18 м. Это, по меньшей мере, в 100 000 000 раз меньше радиуса атома. В ином случае мы бы видели признаки размера электрона в экспериментах.

Как на самом деле выглядит электрон? Как я писал в статье про атомы, определить понятие размера элементарной частицы сложно, поскольку электрон, хотя его и называют частицей, не является какой-нибудь пылинкой или крупинкой соли или песка. У него также есть и волновые свойства. В атоме электроны в каком-то смысле распределены по всему атому, как распространяется звуковая волна от барабана. В этом смысле, находясь внутри атома, они имеют размер всего атома.

Но это контекстуальный, а не присущий самому электрону размер. Я так и буду называть это «контекстуальным размером». Измените контекст – выньте электрон из атома, поместите его в маленькую металлическую коробку – и распределение электрона может вырасти или ужаться. У протона, наоборот, есть присущий ему размер, примерно в 100 000 раз меньше атома. Ни в каком смысле нельзя сделать протон меньше присущего ему размера, не разломав его. Короче, контекстуальный размер не может быть меньше внутреннего размера. Уменьшив контекстуальный размер электрона до минимума, в основном через рассеяние электронов высокой энергии с других частиц, мы искали их внутренний размер. Пока что ничего не нашли.

Так что, можно сказать, что эксперименты показывают, что присущий электрону размер меньше, чем 10 -18 м. А как далеко электрон распространяется в виде волны, зависит от контекста.

Спин@

Про это свойство вы могли и не слышать. Оно может покорёжить вам мозг (как покорёжило мне!)

Среди странных свойств квантового мира есть очень странный факт (впервые открытый в 1920-х Гаудсмитом и Уленбеком, пытавшимися осмыслить данные, полученные с измерений электронов в атоме) — элементарные частицы могут крутиться, даже не имея размера! Представить это невозможно: мне, по крайней мере, это недоступно. Скажем это в практическом смысле: электроны и многие другие частицы природы ведут себя так, будто это маленькие вращающиеся волчки – если их поглощает другой объект, это заставляет этот объект немного крутиться. Представьте себе, как вращающийся кусок мягкой глины падает на способный крутиться стол. Глина прилипнет к столу, и стол начнёт вращаться.

Что ещё более странно, каждый из типов частиц всегда вращается с одной и той же скоростью! Мы говорим, что у электронов спин равен 1/2; это самая малая ненулевая скорость вращения, которой способна обладать частица. Нам также известны другие типы элементарных частиц со спином 1/2, 1, и (как мы думаем) 0, и не-элементарных частиц со спинами 0, 1/2, 1, 3/2, 2, 5/2, и далее, до очень больших значений.

Магнетизм↑

Электрически заряженный вращающийся шар вёл бы себя, как магнит, и вы можете догадаться, что поскольку у электронов есть заряд и спин, они ведут себя, как магниты. И вы правы! То, что электроны ведут себя, как маленькие магниты, помогает подтвердить тот факт, что они на самом деле вращаются. Обычные, повседневные магниты, сделанные из, допустим, железа, приобретают свой магнетизм от электронов; множества и множества электронов, чьи спины аккуратно выровнены, могут создать большой магнит из множеств и множеств маленьких!

А вы уверены в том, что электроны реально существуют?

Не пора ли в этой статье продемонстрировать изображение электрона?

Электрически заряженная частица проходит через специально подготовленную пузырьковую камеру, оставит за собой след из пузырьков. Пузырьки быстро раздуваются до видимого размера, а затем этот след можно сфотографировать. Магнитное поле изгибает путь частиц; направление изгиба сообщает вам, был ли заряд частицы положительным или отрицательным. Это знаменитое фото 1933 года демонстрирует тонкий искривлённый путь пузырьков, отмеченный красными стрелками, ведущий себя точно так же, как след электрона – за исключением того, что след электрона выгнулся бы вправо. Изгиб не в ту сторону доказывает, что у частицы, оставившей след, заряд положительный, и поэтому след оставлен позитроном, античастицей электрона. Горизонтальная черта и диагональные линии – это артефакты фотографии и экспериментальной установки.

В отличие от молекул и атомов, достаточно крупных для того, чтобы сделать их фотографии при помощи особых микроскопов, изображение электрона сделать невозможно. Он просто слишком мал и неуловим. Мы можем делать изображения следов электронов, проходящих сквозь материю, как на рисунке (там показан антиэлектрон, позитрон, но электрон выглядел бы практически точно так же), но мы не можем получать изображения электронов напрямую.

Но наша уверенность в существовании электронов очень сильна, а наши знания их свойств весьма точны. Откуда берётся это уверенность?

Это важный вопрос, поскольку один из самых частых вопросов, который задают специалистам по физике частиц – это знаем ли мы на самом деле, что эти частицы существуют, или же мы обманываем себя (и всех остальных), и тратим кучу денег на ерунду, которая оказывается всего лишь горячим воздухом, выходящим из наших голов.

Да, мы знаем, что мы делаем. И мы знаем об этом уже более ста лет. Часть нашей уверенности получена благодаря таким изображениям, которое приведено выше. Но есть и множество других источников уверенности, о которых я, возможно, напишу позже.

• Научно-популярное
• Физика

Сколько электронов в вакууме

Электроны, крохотные объекты, населяющие задворки атомов, играют ведущую роль в химии, переносят электрический ток по нашим электрическим сетям и внутри ударов молний, и составляют «катодные лучи», использовавшиеся для создания изображений в телевидении XX века и на экранах компьютеров. Это наиболее типичный пример (вроде бы) элементарных частиц.

Под «элементарными» я подразумеваю, что электроны неделимы и не состоят из частиц меньшего размера. При помощи «вроде бы» я напоминаю, что они элементарны, насколько нам позволяют судить об этом современные знания – то, что мы знаем об электронах, получено в экспериментах, а наши эксперименты не обладают бесконечной властью. Если электроны не элементарны, но настолько малы, что наши текущие эксперименты не могут их разломать – они будут выглядеть элементарными во всех экспериментах, проведённых нами в прошлом и настоящем, но не во всех будущих экспериментах. Так что, когда-нибудь – ведь 80 лет назад люди считали, что протоны могут быть элементарными, но им не хватало знаний, а 150 лет назад люди считали, что атомы могут быть элементарными, но им не хватало знаний – мы можем обнаружить, что электроны не элементарны. Но пока, поскольку все доступные нам эксперименты демонстрируют, что они элементарны, мы будем условно предполагать, что так и есть – помня, что это частично экспериментальный факт, и частично – предположение!

Электрон стал первой из обнаруженных субатомных частиц (первым найденным объектом, чей размер был меньше атома). Во времена его открытия, в 1890-х (обычно пишут 1897 год, но это открытие было в некотором роде постепенным), научные дебаты по поводу того, состоит ли материя из атомов, или же атомы были просто выдумкой, удобной для описания поведения материи, подходили к концу. Но даже те, кто верил в существование атомов, не обязательно считали, что атомы были неделимы (как предполагало их имя, произошедшее от греческого «неразрезаемый»). Поколение спустя, к середине 1930-х, физики подтвердили существование атомов, поняли их базовую структуру и узнали, как подсчитывать их свойства с высокой точностью. Эти подсчёты они провели с помощью уравнений из теории поведения материи 1920-х годов, называемой «квантовая механика», ставшей необходимой потому, что знаменитые уравнения Ньютона не справлялись с описанием работы атомов. Многие ключевые проверки точности квантовой механики были связаны с точными измерениями поведения электронов внутри и снаружи атомов.

Все электроны идентичны и неразличимы; если я поменяю два из них местами, вы не сможете этого обнаружить. Так что я могу писать о «свойстве электрона», а вы можете быть уверены в том, что эти свойства таковы для всех электронов. Какие же свойства присущи им?

Масса!

У электрона есть масса – она мала по сравнению с массой любого атома, поэтому про неё обычно можно забыть в начальных классах химии, но она не настолько мала, чтобы забыть о ней в физике частиц и даже в понимании структуры атомов. Хотя электроны не вносят значительного вклада в массу атома, масса электрона необходима для определения размера атома. В этом, в частности, заключается важность поля и частицы Хиггса. Эту массу можно записать по-разному, и каждый из способов даёт вам свою перспективу:

• Она равна примерно 9 × 10 -31 кг = 0.000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 9 кг.
• Она равна примерно 0,05% (точнее, 1/1838) массы атома водорода – легчайшего атома в природе. Большая часть его массы содержится в его ядре.
• Энергия, хранящаяся в массе электрона, E = mc 2 , равна 0,000 511 ГэВ. Это в 200 000 раз больше энергии, переносимой одним фотоном зелёного цвета. В физике частиц масса частицы часто записывается через обратное взаимоотношение энергии и массы: для стационарной частицы m = E / c 2 . В этих терминах масса электрона равна 0,000511 ГэВ / c 2 .

Электрический заряд!

У электрона есть электрический заряд – а значит, на него действуют электрическое и магнитное поля. На электрически заряженную частицу в присутствии электрического поля будет действовать электрическая сила. Именно такие силы удерживают электроны внутри их атомов.

Насколько велик электрический заряд электрона? Представьте себе статическое электричество – вы прошли в ботинках по ковру, а затем, прикоснувшись к дверной ручке, другому человеку или компьютеру (. ), вы почувствуете искру. Эта искра переносит заряд из одного места в другое – и обычно она в 10 миллионов миллионов раз больше заряда, переносимого электроном. Физики измеряют заряд с использованием произвольно выбранной единицы под названием кулон (так же, как время измеряется в секундах и длина в метрах). В типичном заряде статического электричества содержится одна миллионная доля кулона. Величину заряда электрона обычно обозначают e, и e примерно равно 1,6 × 10 -19 Кл.

Размер?

Размер электрона неизвестен; он может оказаться точечным объектом без размера, или у него может быть чрезвычайно малый размер, радиус которого не превышает 10 -18 м. Это, по меньшей мере, в 100 000 000 раз меньше радиуса атома. В ином случае мы бы видели признаки размера электрона в экспериментах.

Как на самом деле выглядит электрон? Как я писал в статье про атомы, определить понятие размера элементарной частицы сложно, поскольку электрон, хотя его и называют частицей, не является какой-нибудь пылинкой или крупинкой соли или песка. У него также есть и волновые свойства. В атоме электроны в каком-то смысле распределены по всему атому, как распространяется звуковая волна от барабана. В этом смысле, находясь внутри атома, они имеют размер всего атома.

Но это контекстуальный, а не присущий самому электрону размер. Я так и буду называть это «контекстуальным размером». Измените контекст – выньте электрон из атома, поместите его в маленькую металлическую коробку – и распределение электрона может вырасти или ужаться. У протона, наоборот, есть присущий ему размер, примерно в 100 000 раз меньше атома. Ни в каком смысле нельзя сделать протон меньше присущего ему размера, не разломав его. Короче, контекстуальный размер не может быть меньше внутреннего размера. Уменьшив контекстуальный размер электрона до минимума, в основном через рассеяние электронов высокой энергии с других частиц, мы искали их внутренний размер. Пока что ничего не нашли.

Так что, можно сказать, что эксперименты показывают, что присущий электрону размер меньше, чем 10 -18 м. А как далеко электрон распространяется в виде волны, зависит от контекста.

Про это свойство вы могли и не слышать. Оно может покорёжить вам мозг (как покорёжило мне!)

Среди странных свойств квантового мира есть очень странный факт (впервые открытый в 1920-х Гаудсмитом и Уленбеком, пытавшимися осмыслить данные, полученные с измерений электронов в атоме) — элементарные частицы могут крутиться, даже не имея размера! Представить это невозможно: мне, по крайней мере, это недоступно. Скажем это в практическом смысле: электроны и многие другие частицы природы ведут себя так, будто это маленькие вращающиеся волчки – если их поглощает другой объект, это заставляет этот объект немного крутиться. Представьте себе, как вращающийся кусок мягкой глины падает на способный крутиться стол. Глина прилипнет к столу, и стол начнёт вращаться.

Что ещё более странно, каждый из типов частиц всегда вращается с одной и той же скоростью! Мы говорим, что у электронов спин равен 1/2; это самая малая ненулевая скорость вращения, которой способна обладать частица. Нам также известны другие типы элементарных частиц со спином 1/2, 1, и (как мы думаем) 0, и не-элементарных частиц со спинами 0, 1/2, 1, 3/2, 2, 5/2, и далее, до очень больших значений.

Магнетизм↑

Электрически заряженный вращающийся шар вёл бы себя, как магнит, и вы можете догадаться, что поскольку у электронов есть заряд и спин, они ведут себя, как магниты. И вы правы! То, что электроны ведут себя, как маленькие магниты, помогает подтвердить тот факт, что они на самом деле вращаются. Обычные, повседневные магниты, сделанные из, допустим, железа, приобретают свой магнетизм от электронов; множества и множества электронов, чьи спины аккуратно выровнены, могут создать большой магнит из множеств и множеств маленьких!

А вы уверены в том, что электроны реально существуют?

Не пора ли в этой статье продемонстрировать изображение электрона?

Электрически заряженная частица проходит через специально подготовленную пузырьковую камеру, оставит за собой след из пузырьков. Пузырьки быстро раздуваются до видимого размера, а затем этот след можно сфотографировать. Магнитное поле изгибает путь частиц; направление изгиба сообщает вам, был ли заряд частицы положительным или отрицательным. Это знаменитое фото 1933 года демонстрирует тонкий искривлённый путь пузырьков, отмеченный красными стрелками, ведущий себя точно так же, как след электрона – за исключением того, что след электрона выгнулся бы вправо. Изгиб не в ту сторону доказывает, что у частицы, оставившей след, заряд положительный, и поэтому след оставлен позитроном, античастицей электрона. Горизонтальная черта и диагональные линии – это артефакты фотографии и экспериментальной установки.

В отличие от молекул и атомов, достаточно крупных для того, чтобы сделать их фотографии при помощи особых микроскопов, изображение электрона сделать невозможно. Он просто слишком мал и неуловим. Мы можем делать изображения следов электронов, проходящих сквозь материю, как на рисунке (там показан антиэлектрон, позитрон, но электрон выглядел бы практически точно так же), но мы не можем получать изображения электронов напрямую.

Но наша уверенность в существовании электронов очень сильна, а наши знания их свойств весьма точны. Откуда берётся это уверенность?

Это важный вопрос, поскольку один из самых частых вопросов, который задают специалистам по физике частиц – это знаем ли мы на самом деле, что эти частицы существуют, или же мы обманываем себя (и всех остальных), и тратим кучу денег на ерунду, которая оказывается всего лишь горячим воздухом, выходящим из наших голов.

Да, мы знаем, что мы делаем. И мы знаем об этом уже более ста лет. Часть нашей уверенности получена благодаря таким изображениям, которое приведено выше. Но есть и множество других источников уверенности, о которых я, возможно, напишу позже.

Электрический ток в вакууме

Вакуум — пространство, свободное от вещества. В наиболее общем смысле, вакуум — это пустота. В физике и технике под вакуумом подразумевается газообразная среда при давлении в сотни раз ниже атмосферного.

Электрический ток в физике — это направленное движение носителей заряда. Вакуум — диэлектрик, и ток не может возникнуть в нем сам по себе. Условие протекания электрического тока в вакууме — наличие в нем достаточного количества свободных заряженных частиц. Например, электронов.

Термоэлектронная эмиссия

Как свободные электроны могут появиться в вакууме? Благодаря явлению термоэлектронной эмиссии, открытому Томасом Эдисоном в 1879 году.

Определение. Термоэлектронная эмиссия

Термоэлектронная эмиссия — испускание электронов из металла при его нагревании.

Металлы являются наилучшими проводниками, так как имеют свободные электроны, которые иногда еще называют электронным газом. При нагревании металла энергия электронов (измеряется в электронвольтах) увеличивается и они могут «вырваться» из металла. Для того, чтобы вылететь из металла, электрон должен обладать энергией, превышающей работу выхода электронов для этого металла.

A в ы х = E 0 — μ

Здесь A в ы х — работа выхода, которую нужно преодолеть электрону, E 0 — его энергия, μ — энергия Ферми.

Термоэлектронный ток

Испущенные металлом свободные электроны образуют у поверхности металла электронное облако. Если создать в данной области электрическое поле, электроны начинают двигаться под действием сил поля. Иными совами, возникает электрический ток, называемый термоэлектронным.

Определение. Термоэлектронный ток

Термоэлектронный ток — ток, возникающий при испускании (эмиссии) электронов накаленными телами в вакуумных приборах.

Так, если в вакууме поместить две металлические пластины и создать между ними разность потенциалов и условия для термоэлектронной эмиссии, возникнет термоэлектронный ток.

Электрический ток в вакууме широко используется в вакуумных приборах. Самый простой пример — электронная лампа, или вакуумный диод.

Вакуумный диод представляет собой баллон с откачанным воздухом, содержащий электроды: катод и анод. Электроны выбиваются из катода и летят к аноду.

Для вакуумного диода не выполняется закон Ома. При небольших значениях напряжения на аноде имеет место формула зависимости силы электрического тока от напряжения:

где B — коэффициент пропорциональности, который зависит от формы, расположения и размеров электродов.

При увеличении разности потенциалов между электродами сила тока будет расти. Однако, для термоэлектронного тока существует понятие тока насыщения. Это ток такой силы, при котором все электроны из электронного облака достигают другой анода. При достижении силы тока насыщения и дальнейшем росте разности потенциалов, сила тока насыщения не меняется.

Эмиссионную способность материала катода характеризует плотность тока насыщения, которая определяется по формуле Ричардсона-Дешмана:

j = 1 — h R i A · T 2 · e — q φ k T .

Здесь h — постоянная Планка, h R i — усредненное значение коэффициента отражения электронов от потенциального порога, A — термоэлектрическая постоянная, равная 120 , 4 A К 2 · с м 2 , T — температура, q — заряд электрона, q φ — работа выхода, k — постоянная Больцмана.

Электрон

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.

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]

s= >» width=»» height=»» /> — спин электрона в единицах » 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

Электрон. Что такое электрон, его заряд, масса, спин, энергия покоя

Электрон – это стабильная отрицательно заряженная элементарная частица.

Электроны играют важную роль почти во всех физических эффектах. Поскольку электроны несут заряд, они также генерируют электрическое поле. Если привести электрон в движение, то возникнет магнитное поле. Если электрон проходит через другое внешнее электрическое поле, его путь изменяется под действием силы Лоренца.

Электрон принадлежит к лептонному семейству частиц. Существует несколько различных семейств частиц, перечисленных в стандартной модели физики частиц.

Спин электрона и магнитный момент электрона.

Согласно современному уровню знаний, лептоны являются элементарными частицами. По сравнению с другими лептонами, электрон имеет самую низкую массу среди лептонов, несущих заряд. Он принадлежит к первому поколению лептонов. Второе и третье поколения – мюон и тауон. Эти две частицы имеют одинаковые с электроном заряды и спин, но отличаются от него большей массой.

Лептоны отличаются от других фундаментальных частиц, таких как кварки, отсутствием сильного взаимодействия. Все лептоны принадлежат к семейству фермионов, поэтому электрон имеет собственный вращательный момент ( спин ) s = ½ в единицах ℏ, где ℏ – приведённая постоянная Планка).

« Как и любая заряженная частица со спином, электрон обладает магнитным моментом, причём магнитный момент делится на нормальную часть и аномальный магнитный момент (добавка примерно 0,116 %). Магнитный момент электрона μ_e = -9,2847647043(28)⋅10−24 Дж/Тл. »

Википедия

Атомы и молекулы.

Электроны связаны с ядрами атомов “притягивающей” кулоновской силой. Такой состав из атомного ядра и одного или нескольких электронов называется атомом. Электроны движутся вокруг ядра атома. Если число электронов отличается от заряда ядра, то это ион.

Волновая природа связанных электронов описывается атомными орбиталями. Каждая из этих орбиталей имеет ряд квантовых чисел, таких как энергия и момент. Кроме того, у атома может быть только дискретное число орбиталей. В силу принципа Паули на орбитали может находиться максимум два электрона, спин которых имеет разные знаки.

Электроны находятся в оболочке атома, протоны – в атомном ядре

Химическая связь между атомами возникает благодаря электромагнитным взаимодействиям, которые описываются с помощью квантовой физики. Самые прочные связи создаются путем обмена или передачи электронов. Это позволяет образовывать молекулы. В молекулах электроны движутся аналогично атомам и занимают молекулярные орбитали. Однако фундаментальным отличием является образование пар электронов с разными спинами. Это позволяет нескольким электронам занимать одну орбиталь без нарушения принципа Паули.

Делимость электрического заряда

Хорошо известно, что молекулы и атомы в их нормальном состоянии не имеют электрического заряда. Поэтому мы не можем объяснить электризацию их движением. Однако если мы предположим, что частицы с электрическим зарядом существуют в природе, то мы должны обнаружить, что существует предел деления электрического заряда.

Согласно различным экспериментам, проведенным советским ученым Абрамом Федоровичем Иоффе и американским ученым Робертом Милликеном, было обнаружено, что существует заряженная частица с минимальным зарядом, который невозможно разделить.

В своих экспериментах они электризовали маленькие частицы цинковой пыли. Заряд пылинок меняли и вычисляли. Это было проделано несколько раз. При этом заряд оказывался каждый раз другим. Однако все изменения были кратны целому числу, большему, чем некоторый минимальный заряд (т.е. 2, 3, 4 и т.д.). Этот результат можно интерпретировать только следующим образом. Только наименьший заряд (или целое число таких зарядов) присоединяется к пылинке цинка или отсоединяется от нее. Этот заряд дальше уже не делится. Частица с наименьшим зарядом называется электроном.

Также в ходе опытов было установлено, что любая частица вещества либо электрически нейтральна, либо имеет заряд, кратный по модулю заряду электрона.

Свойства электрона

Электрон характеризуется и другими важными свойствами, помимо спина и магнитного момента. Рассмотрим их.

Масса электрона

Электроны очень малы. Масса электрона составляет m_e = 9,109 • 10 -31 кг или 5, 489 • 10 -4 атомных единиц массы (а. е. м). Эта масса примерно в 3700 раз меньше массы молекулы водорода, которая является самой маленькой из всех молекул. Из-за эквивалентности массы и энергии в соответствии с принципом относительности это приводит к энергии покоя 0,511 МэВ (мегаэлектронвольт).

Отношение массы протона к массе электрона равно 1836, то есть протон в 1836 раз “тяжелее” электрона.

Заряд электрона

Электрический заряд – одно из основных свойств электрона. Невозможно представить, что с электронов можно снять заряд. Они неотделимы друг от друга.

Электрический заряд – это физическая величина. Она обозначается буквой q. Единицей электрического заряда является кулон (Кл). Эта единица названа в честь французского физика Шарля Кулона. Электрон – это частица с наименьшим отрицательным зарядом. Его заряд равен e₀ = – 1,6 • 10 -19 Кл.

Модуль заряда электрона назвали элементарным электрическим зарядом. Его обозначают е. Измерения показали, что e = 1,6 • 10 19 Кл.

Обратите внимание, что любой, даже самый малый, заряд тела содержит целое число элементарных зарядов. Так как заряд тела обозначается буквой q, то получаем: q = eN, где N – целое число (N = 1, 2, 3, … ).

Элементарный заряд может показаться очень малым, однако вспомним: в любом теле, видимом невооружённым глазом, содержится невообразимо большое число заряженных частиц. Так, суммарный заряд электронов в одной столовой ложке воды равен по модулю примерно миллиону кулонов (а вы уже знаете, как велик заряд всего в 1 Кл).

Важно! Термин элементарный заряд был придуман, когда предположили, что этот заряд является наименьшим электрическим зарядом в природе. Сегодня мы знаем, что 1/3 элементарного заряда также приходится на кварки.

Энергия покоя электрона

Энергия электрона рассчитывается из эквивалентности массы и энергии. Вы знаете это как формулу из теории относительности E=mc 2 . E означает энергию, m – массу, а c – скорость света. Как было уже сказано выше в этой статье: “из-за эквивалентности массы и энергии в соответствии с принципом относительности это приводит к энергии покоя 0,511 МэВ (мегаэлектронвольт)”.

В формуле это можно рассчитать следующим образом: E = m_ec 2 = 9,109 • 10 -31 • (3 • 10 8 ) 2 = 8,2 • 10 -14 Дж = 0,511 • 10 6 эВ ≈ 0,511 МэВ

Электрический ток в вакууме

Вакуум — пространство, свободное от вещества. В наиболее общем смысле, вакуум — это пустота. В физике и технике под вакуумом подразумевается газообразная среда при давлении в сотни раз ниже атмосферного.

Электрический ток в физике — это направленное движение носителей заряда. Вакуум — диэлектрик, и ток не может возникнуть в нем сам по себе. Условие протекания электрического тока в вакууме — наличие в нем достаточного количества свободных заряженных частиц. Например, электронов.

Термоэлектронная эмиссия

Как свободные электроны могут появиться в вакууме? Благодаря явлению термоэлектронной эмиссии, открытому Томасом Эдисоном в 1879 году.

Определение. Термоэлектронная эмиссия

Термоэлектронная эмиссия — испускание электронов из металла при его нагревании.

Металлы являются наилучшими проводниками, так как имеют свободные электроны, которые иногда еще называют электронным газом. При нагревании металла энергия электронов (измеряется в электронвольтах) увеличивается и они могут «вырваться» из металла. Для того, чтобы вылететь из металла, электрон должен обладать энергией, превышающей работу выхода электронов для этого металла.

A в ы х = E 0 — μ

Здесь A в ы х — работа выхода, которую нужно преодолеть электрону, E 0 — его энергия, μ — энергия Ферми.

Термоэлектронный ток

Испущенные металлом свободные электроны образуют у поверхности металла электронное облако. Если создать в данной области электрическое поле, электроны начинают двигаться под действием сил поля. Иными совами, возникает электрический ток, называемый термоэлектронным.

Определение. Термоэлектронный ток

Термоэлектронный ток — ток, возникающий при испускании (эмиссии) электронов накаленными телами в вакуумных приборах.

Так, если в вакууме поместить две металлические пластины и создать между ними разность потенциалов и условия для термоэлектронной эмиссии, возникнет термоэлектронный ток.

Электрический ток в вакууме широко используется в вакуумных приборах. Самый простой пример — электронная лампа, или вакуумный диод.

Вакуумный диод представляет собой баллон с откачанным воздухом, содержащий электроды: катод и анод. Электроны выбиваются из катода и летят к аноду.

Для вакуумного диода не выполняется закон Ома. При небольших значениях напряжения на аноде имеет место формула зависимости силы электрического тока от напряжения:

где B — коэффициент пропорциональности, который зависит от формы, расположения и размеров электродов.

При увеличении разности потенциалов между электродами сила тока будет расти. Однако, для термоэлектронного тока существует понятие тока насыщения. Это ток такой силы, при котором все электроны из электронного облака достигают другой анода. При достижении силы тока насыщения и дальнейшем росте разности потенциалов, сила тока насыщения не меняется.

Эмиссионную способность материала катода характеризует плотность тока насыщения, которая определяется по формуле Ричардсона-Дешмана:

j = 1 — h R i A · T 2 · e — q φ k T .

Здесь h — постоянная Планка, h R i — усредненное значение коэффициента отражения электронов от потенциального порога, A — термоэлектрическая постоянная, равная 120 , 4 A К 2 · с м 2 , T — температура, q — заряд электрона, q φ — работа выхода, k — постоянная Больцмана.

Проектируем электрику вместе

Что такое вакуум. Носители электрических зарядов в вакууме.. Поверхностный потенциальный барьер.. Работа выхода.. Термоэлектронная эмиссия.. Вакуумный диод.. О скорости движения электронов в вакууме.. Применение термоэлектронной эмиссии..

Но что такое вакуум?
Ва́куум (от лат. vacuus — пустой) — пространство, свободное от вещества.

Когда речь идет о вакууме, то многие почему-то считают, что это совсем пустое пространство. На самом же деле это не так, идет ли речь о замкнутой емкости, из которой откачан газ, или о межзвездном пространстве.
В технике и прикладной физике вакуум характеризуется соотношением между длиной свободного пробега молекул газа и линейным размером вакуумной камеры. Если молекула пробегает от стенки к стенке камеры, не встречаясь с другими молекулами, то считают, что в сосуде создан вакуум, хотя в нем еще может быть очень много молекул. При глубоком вакууме молекула может много раз пролететь от стенки к стенке, прежде чем встретится с другой молекулой.
Откачать все молекулы из сосуда практически невозможно. Сверхвысоким вакуум считается при достижении давления ниже 10 – 9 мм рт.ст.

Для сравнения, давление в космосе на несколько порядков ниже, а в дальнем космосе и вовсе может достигать 10 – 16 мм рт.ст. Космический вакуум является наилучшим приближением к физическому вакууму, но и он не является совершенным, даже в межзвёздном пространстве есть как минимум несколько атомов водорода на кубический сантиметр. Кроме того, космическое пространство заполнено так называемым реликтовым излучением (состоящим из фотонов), а также большим количеством реликтовых нейтрино.

Носители электрических зарядов в вакууме

Для существования электрического тока необходимо наличие свободных носителей заряда.
В вакууме, как мы знаем, вещества очень мало. Откуда же там возьмутся носители зарядов? Количества ионизированных молекул в вакууме совершенно недостаточно для существования электрического тока.
Тем не менее, электрический ток в вакууме может существовать, если использовать источник заряженных частиц. Каких частиц?
Ионы не могут претендовать на эту роль, ибо это был бы уже не вакуум, а ионизированный газ. А вот электроны могли бы обеспечить протекание тока через вакуум. Как же получить в вакууме достаточное количество свободных электронов?

Поверхностный потенциальный барьер

Большое количество свободных электронов находится в металлах, поэтому они являются идеальными источниками электронов в вакууме.
При обычных температурах свободные электроны практически не покидают металл, поскольку в поверхностном слое металла образуется электрическое поле, препятствующее выходу электронов из металла в окружающий вакуум.

Действительно, когда отдельные электроны покидают металл (на расстояния порядка атомных), в его поверхностном слое возникает избыточный положительный заряд за счет образования положительных ионов. Покинувшие металл электроны под действием сил притяжения положительного заряда возвращаются обратно, в результате чего над поверхностью металла образуется «электронное облако» из выходящих и возвращающихся электронов, находящихся в динамическом равновесии.

Это «облако» вместе с наружным слоем положительных ионов металла образует двойной электрический слой, электрическое поле которого подобно полю плоского конденсатора. Толщина этого слоя равна нескольким межатомным расстояниям (10 – 10 — 10 – 9 м). Он не создает электрического поля во внешнем пространстве, но образует поверхностный потенциальный барьер, препятствующий выходу электронов из металла.

Работа выхода

Таким образом, для того чтобы электрон мог покинуть металл, он должен преодолеть задерживающее его электрическое поле двойного слоя, т. е. обладать энергией, достаточной для преодоления потенциального барьера.

Эта дополнительная энергия электронов для преодоления потенциального барьера металла называется работой выхода.

Для разных металлов она различна и зависит от химических свойств, от чистоты их поверхности и колеблется в пределах нескольких электрон-вольт.
Так, для вольфрама работа выхода равна 7,2*10 – 19 Дж или 4,5 эВ (1 эВ = 1,6*10 – 19 Дж).

Термоэлектронная эмиссия

Если сообщить свободным электронам дополнительную энергию, необходимую для совершения работы выхода, например, через нагревание металла , то часть электронов может покинуть металл, т. е. наблюдается явление испускания электронов нагретым телом.

Явление испускания электронов нагретыми телами (эмиттерами) в вакуум или другую среду называется термоэлектронной эмиссией.

Для наглядности термоэлектронную эмиссию можно представить как испарение электронов из эмиттера (по аналогии с испарением воды при ее нагревании).
Термоэлектронная эмиссия становится возможной, когда металл нагревается до высокой температуры. Другими словами, когда большое количество внешней энергии в виде тепла передается свободным электронам в металлах.

Вакуумный диод

Явление термоэлектронной эмиссии можно наблюдать в вакуумной лампе с двумя электродами – анодом, на который подается положительный потенциал и катодом, который соединен с отрицательным потенциалом. Такая лампа называется вакуумным диодом (рис. 1).

Если катод холодный, то ток в цепи катод – анод практически отсутствует.
При повышении температуры катода электроны начинают преодолевать потенциальный барьер у поверхности катода и привлекаются положительным анодом – через вакуум протекает электрический ток, который тем больше, чем выше температура катода: Iн3 > Iн2 > Iн1 при Т3 > Т2 > Т1.

При одной и той же температуре катода ток в цепи катод – анод возрастает с повышением напряжения на аноде (Uа) и выходит к некоторому стационарному значению, называемому током насыщения (Iн). При этом почти все свободные электроны, испускаемые катодом, достигают анода. Ток насыщения характеризует эмиссионную способность материала катода.

При Uа =0 анодный ток не равен нулю, т. е. некоторые электроны, эмиттируемые нагретым катодом, обладают энергией, достаточной для преодоления работы выхода и достижения анода без приложения электрического поля между анодом и катодом.

О скорости движения электронов в вакууме

Из-за отсутствия торможения носителей заряда (большой свободный пробег без столкновений), скорость заряженных частиц в вакууме резко возрастает. Так, под действием ускоряющего поля анода электроны в вакуумном диоде достигают скоростей до 6000 км/сек.
С учетом малого расстояния между катодом и анодом (до 1,0 см) время пролета электрона от катода до анода составляет примерно 3* 10 – 9 сек (сравнимо с периодом метровых радиоволн).

Для сравнения, движение свободных электронов в проводнике происходит довольно медленно, от долей миллиметра до нескольких миллиметров в секунду, поскольку электроны испытывают сопротивление своему движению в электрическом поле, сталкиваясь с атомами вещества.

Применение термоэлектронной эмиссии

Сегодня большинство из нас рассматривает электронно-лучевой кинескоп, вакуумный диод, триод, как электротехнические предметы антиквариата. Тем не менее, основной принцип их работы (электроны испускаются из нагретого катода) до сих пор находит применение в линейных ускорителях, усилителях, в различных электровакуумных приборах (триодах, тетродах, клистронах, магнетронах, лампах бегущей волны и др.).

Эмиссия электронов в вакууме для создания электрического тока

Направленное движение электронов под действием собирающей их силы называют электрическим током. Вакуум — это пространство, состоящее из газа, давление которого ниже атмосферного. По сути, это диэлектрик, но существует условие, при котором даже в нём может появиться ток. Вызывается он эмиссией, явлением, широко используемым в ламповой электронике.

Основные понятия

С первого взгляда кажется, что ток и вакуум — это несовместимые понятия. Ведь в диэлектрике упорядоченное движение зарядов невозможно. Но на самом деле это не совсем так. Чтобы понять, почему же возникает проводимость в вакууме нужно изучить природу возникновения тока и что представляет собой газовое пространство с давлением ниже атмосферного.

В любом теле существуют частицы. Они могут находиться в свободном состоянии или быть привязаны к атому. Те и другие обладают определённым зарядом. Первые хаотично передвигаются в теле, компенсируя перемещение зарядов. Но если к материалу приложить силу, которая заставит носителей заряда двигаться в одном направлении, то возникнет электрический ток.

Его сила определяется количеством частиц прошедших через поперечное сечение тела за единицу времени. Измеряется она в амперах. Носителями зарядов могут быть:

Любое физическое тело состоит из молекул. Формируют их атомы, вокруг которых вращаются электроны. При химической реакции или внешнем воздействии электромагнитных полей происходит перемещение электронов. Они выбиваются или притягиваются другим телом, испытывающим недостаток в элементарных частицах. В результате возникает ток. Его направление совпадает с напряжённостью поля, формирующего движение частиц и создающего электричество.

Вакуум по определению представляет собой пространство, в котором нет вещества. Физики им называют среду, заполненную газом давление, которого меньше атмосферного. Воздух состоит из молекул, которые, двигаясь хаотично, сталкиваются друг с другом и различными препятствиями. Расстояние, которое молекула преодолевает после удара, называют длиной свободного пробега.

Если воздух заключить в сосуд и из него выкачивать воздух, то наступит такой момент, при котором молекулы не будут испытывать столкновение. То есть их свободный пробег будет определяться размерами ёмкости. Таким образом, хоть в сосуде и создался вакуум, некоторое количество молекул в среде останется.

Откачать же все частицы практически невозможно. Может только образоваться так называемый глубокий вакуум, в котором частичка практически не встречает сопротивление движению.

Отсюда следует, что при меньших размерах сосуда вакуум создаётся при большем давлении газа, чем в большой замкнутой ёмкости.

Возникновение тока в вакууме

В газах электрический ток может возникнуть при разряде. Называют его кратковременным. Чтобы он мог поддерживаться необходимо воздействие электрической силы и присутствие носителей заряда. Поле создаёт тела, отличающиеся по знаку заряда. Молекулы в обычной среде — изоляторы. Но если изменить условия они становятся проводниками. При увеличении температуры или воздействии радиации происходит ионизация.

Это эндотермический процесс, при котором из нейтронов или молекул появляются ионы. С физической точки зрения, для этого необходимо получение частицей энергии достаточной, чтобы преодолеть потенциальный барьер. Появление свободных частиц при нагревании среды называют термоэлектронной эмиссией. При ней электроны покидают металл, называют их термоэлектронами.

Это явление можно наблюдать при опыте. Впервые его провёл Томас Эдисон. Заключался он в следующем. Две пластины располагались в вакуумной камере. Их наружно соединяли между собой токопроводящей шиной. В разрыв подключали электрометр. В обычном состоянии стрелка прибора показывала ноль. Как только одну из пластин нагревали, стрелка отклонялась.

Физики объяснили это явление, проведя аналогию с испарением воды. Как при нагреве воды испускаются её молекулы, так и разогретый металл излучает электроны. В результате проявляется электронное облако.

Для того чтобы появилась электропроводность, создаётся пучок электронов. Чтобы появился направленный пучок, в металле к которому идут разогнанные электроны, делают отверстие.

Для термоэлектронного тока существует такое понятие, как сила насыщения. Определяется она максимальным значением. При этом все электроны, излучающиеся с поверхности, попадают в облако и достигают противоположной пластины — анода. Плотность насыщения находится по формуле Ричардсона — Дэшмана, полученной на основе квантовой статистики: jн = C * T * 2 * e- A/(kT) . Здесь A — работа выхода, T — температура нагрева, С — справочная величина.

Следует отметить, что с ростом температуры число носителей зарядов, кинетическая энергия теплового движения которых больше работы выхода, растёт, а процесс термоэлектронной эмиссии проявляется заметнее.

Применение явления

Термоэлектронная эмиссия нашла широкое применение при производстве различных электронных приборов. В частности, эффект возникновения тока используется в электронных лампах и микроскопах, рентгеновских установках. Применяется он и в радиотехнике, автоматике, телемеханике, в приборах, предназначенных для выпрямления, усиления, генерирования сигналов. Простейшим устройством является двухэлектродный вакуумный диод. В его состав входит:

• баллон с откаченным газом;
• анод — проводящая пластина;
• катод — излучающий электрод.

Давление в вакууме составляет 10 -6 —10 -7 миллиметров ртутного столба. Катод выполняется в виде нити накала, а анод — петли. Излучающий электрод изготавливается из металлического цилиндра, покрытого слоем оксидированного щёлочноземельного металла.

Изготовление термокатода позволило создать электронно-лучевую трубку, работающую на принципе протекания электрического тока в вакууме. Кратко работу ЭЛТ можно описать следующим образом. На электронную пушку (катод) подаётся напряжение, она разогревается и начинает испускать электроны. На противоположной стороне находится анод, притягивающий заряд. Электроны фокусируются линзой, и сформированный пучок с помощью отклоняющих пластин направляется на экран.

Вакуумные диоды, в отличие от полупроводниковых не имеют обратного тока. Если их подключить в неправильной полярности, то ток идти не будет, в то время как у кремниевых или германиевых он, хоть и небольшой, присутствует. При этом «электра» приборы, работающие на термоэлектронной эмиссии, выигрывают у своих полупроводниковых аналогов в скорости. Под действием ускорения электроны достигают ускорения порядка шести тысяч километров в секунду.

Если катод нагреть до определённой температуры и поддерживать её постоянной, то вольт-амперная характеристика будет нелинейной. Следовательно, закон Ома работать не будет. Правило, описывающее зависимость анодного тока от напряжения, при малых значениях потенциала называется законом трёх вторых.

Согласно ему ток равен: I = B * U3/2. Причём B, параметр, который зависит от размеров электродов и их расположения относительно друг друга.

Решение задач

В школьных конспектах и рефератах можно встретить задания, связанные с появлением тока в вакууме. Эти задачи позволяют школьникам старших классов закрепить пройденный материал и понять практическое применение эффекта.

Вот три из них, рассчитаны на учеников десятого класса:

1. Объяснить причину уменьшения напряжения при увеличении силы тока во время возникновения дугового разряда. Для утверждения верности сказанного нужно рассуждать так. При возрастании силы тока увеличивается термоэлектронная эмиссия с катодного вывода. В результате количество носителей заряда увеличивается. В свою очередь, это приводит к уменьшению сопротивления участка между электродами. Снижение сопротивления происходит быстрее по сравнению с увеличением силы тока. То есть в вакууме нарушается линейность, установленная законом Ома, а значит и напряжение уменьшается.
2. Какими заряженными частицами создаётся ток в вакууме? Так как вакуум является диэлектриком, то он не содержит частицы, которые могли бы проводить электричество. Для возникновения тока необходимо введение в среду дополнительного материала способного испускать заряды. При нагревании происходит эмиссия электронов с поверхности. Поэтому только электроны способны участвовать в переносе заряда.
3. Доказать, что при упругом столкновении молекулы и электрона энергии передаётся меньше, чем при неупругом. Так как при прямолинейном ударе справедлив закон сохранения энергии, то верным будут равенства: mV 2 / 2 = mV 2 э / 2 + mV 2 м / 2; mV 2 = mV 2 э + mV 2 м, где m — массы частиц, а v — их скорости, полученные после удара. Эти уравнения можно свести в систему и решить их относительно Vэ и Vм. В итоге получится равенство: Vм = (2 * m * V) / (mэ + mм). Отсюда можно сделать выводы:

• Энергия, полученная молекулой , будет равна: W = mV 2 м / 2 = (mV 2 / 2) * ((4 m * m э) / (m э+ m)) 2 . Учитывая, что me значительно меньше m, то массой электрона можно пренебречь. Поэтому W = (4mэ * mэ * V 2 ) / m * 2. Из этого следует, что молекуле передаётся небольшая часть энергии.
• При неупругом столкновении действует закон сохранения импульса. Электрон отдаёт весь заряд: w = mV2 / 2.

Таким образом, движение электронов в вакууме, по сути, является разновидностью электрического тока. Получить его, возможно, лишь поместив в среду нагреваемый катод. Именно он и будет источником испускания электронов.

Поле, возникшее между катодом и анодом, сообщит частицам скорость и определит их направление.

Похожие публикации:

1. Как найти обрыв тв кабеля в стене
2. Как освещение может привести к гибели человека
3. Ампервольтметр ц20 как пользоваться
4. Как поменять предохранитель в кинескопном телевизоре шарп

Нобелевская премия по физике 2023 года. Электроны в импульсах света

В своих экспериментах лауреаты этого года создали достаточно короткие вспышки света, чтобы сделать снимки чрезвычайно быстрого движения электронов. Анна Л’юилье открыла новый эффект взаимодействия лазерного излучения с атомами в газе. Пьер Агостини и Ференц Крауш продемонстрировали, что этот эффект может быть использован для создания более коротких импульсов света, чем это было возможно ранее.

Крошечная колибри может биться крыльями 80 раз в секунду. Мы воспринимаем это только как жужжание и размытое движение. Для человеческих органов чувств быстрые движения расплываются, и очень короткие события невозможно уловить. Чтобы запечатлеть или изобразить эти короткие мгновения, приходится прибегать к технологическим ухищрениям.

Высокоскоростная фотосъемка и стробоскопическое освещение позволяют получать детальные изображения явлений, связанных с полетами. Для получения высокофокусной фотографии дерущейся птицы требуется выдержка, которая значительно короче одного взмаха крыла. Чем быстрее событие, тем быстрее должен быть сделан снимок, чтобы запечатлеть это мгновение.

Тот же принцип применим ко всем методам измерения или изображения быстрых процессов: любое измерение должно проводиться быстрее, чем время, необходимое для заметного изменения изучаемой системы, иначе результат будет расплывчатым. Лауреаты этого года провели эксперименты, в которых продемонстрировали метод получения импульсов света, достаточно коротких для того, чтобы запечатлеть процессы внутри атомов и молекул.

Естественная временная шкала атомов невероятно коротка. В молекуле атомы могут двигаться и поворачиваться за миллионные доли миллиардной доли секунд, фемтосекунды. Эти движения можно изучать с помощью самых коротких импульсов, которые можно получить с помощью лазера, но, когда движутся целые атомы, временные масштабы определяются их большими и тяжелыми ядрами, которые чрезвычайно медлительны по сравнению с легкими и проворными электронами. Когда электроны перемещаются внутри атомов или молекул, они делают это настолько быстро, что изменения размываются за фемтосекунды. В мире электронов положение и энергия изменяются со скоростью от одной до нескольких сотен аттосекунд, где аттосекунда — это одна миллиардная часть миллиардной доли секунды.

Аттосекунда настолько мала, что их количество за одну секунду равно количеству секунд, прошедших с момента возникновения Вселенной 13,8 млрд. лет назад. В более близком к реальности масштабе мы можем представить себе вспышку света, направленную из одного конца комнаты к противоположной стене, — это займет десять миллиардов аттосекунд.

Фемтосекунда долгое время считалась пределом для световых вспышек, которые можно было произвести. Для того чтобы увидеть процессы, происходящие за удивительно короткое время с участием электронов, недостаточно было усовершенствовать существующую технологию, требовалось что-то совершенно новое. Лауреаты этого года провели эксперименты, которые открыли новую область исследований — аттосекундную физику.

Более короткие импульсы с помощью высоких обертонов

Свет состоит из волн — колебаний электрических и магнитных полей, которые движутся в вакууме быстрее, чем что-либо другое. Они имеют разную длину волны, что соответствует разным цветам. Например, длина волны красного света составляет около 700 нанометров, т.е. одну сотую ширины волоса, и он совершает цикл с частотой около четырехсот тридцати тысяч миллиардов раз в секунду. Мы можем считать, что самый короткий импульс света — это длина одного периода световой волны, цикл, в котором она поднимается до пика, опускается до впадины и возвращается в исходную точку. В данном случае длина волны, используемая в обычных лазерных системах, никогда не может быть меньше фемтосекунды, поэтому в 1980-х годах этот показатель рассматривался как жесткий предел для самых коротких возможных вспышек света.

Математика, описывающая волны, показывает, что можно построить любую форму волны, если использовать достаточное количество волн нужных размеров, длин волн и амплитуд (расстояний между пиками и впадинами). Хитрость аттосекундных импульсов заключается в том, что можно создавать более короткие импульсы, комбинируя все более короткие длины волн.

Для наблюдения за движением электронов в атомном масштабе требуются достаточно короткие импульсы света, а это значит, что нужно комбинировать короткие волны разных длин волн.

Чтобы добавить новые длины волн к свету, необходим не только лазер; ключом к получению доступа к самому короткому из когда-либо изученных мгновений служит явление, возникающее при прохождении лазерного излучения через газ. Свет взаимодействует с его атомами и вызывает обертоны — волны, в которых на каждый цикл исходной волны приходится несколько целых циклов. Это можно сравнить с обертонами, которые придают звуку особый характер, позволяя услышать разницу между одной и той же нотой, сыгранной на гитаре и фортепиано.

В 1987 г. Анне Л’Юилье и ее коллегам из французской лаборатории удалось получить и продемонстрировать обертоны с помощью инфракрасного лазерного луча, пропущенного через инертный газ. Инфракрасное излучение вызывало больше обертонов, чем лазер с меньшей длиной волны, который использовался в предыдущих экспериментах. В этом эксперименте наблюдалось множество обертонов примерно одинаковой интенсивностью.

В серии статей Л’Юилье продолжила изучение этого эффекта в 1990-е годы, в том числе и на новом месте работы — в Лундском университете. Полученные ею результаты способствовали теоретическому пониманию этого явления и заложили основу для следующего экспериментального прорыва.

Убегающие электроны создают обертоны

Когда лазерное излучение попадает в газ и воздействует на его атомы, оно вызывает электромагнитные колебания, искажающие электрическое поле, удерживающее электроны вокруг атомного ядра. В результате электроны могут покинуть атомы. Однако электрическое поле света вибрирует непрерывно, и при изменении его направления свободный электрон может устремиться обратно к ядру атома. За время своего путешествия электрон собрал много дополнительной энергии от электрического поля лазерного излучения и, чтобы вновь прикрепиться к ядру, должен отдать свою избыточную энергию в виде импульса света. Эти световые импульсы электронов и создают обертоны, которые появляются в экспериментах.

Лазерное излучение взаимодействует с атомами в газе

Энергия света связана с длиной его волны. Энергия излучаемых обертонов эквивалентна ультрафиолетовому излучению, которое имеет меньшую длину волны, чем свет, видимый человеческим глазом. Поскольку энергия исходит от колебаний лазерного излучения, колебания обертонов будут пропорциональны длине волны исходного лазерного импульса. В результате взаимодействия света с множеством различных атомов образуются различные световые волны с определенным набором длин волн.

Когда эти обертоны существуют, они взаимодействуют друг с другом. Свет становится более интенсивным при совпадении пиков световых волн и менее интенсивным при совпадении пика одного цикла с впадиной другого. При удачном стечении обстоятельств обертоны совпадают так, что возникает серия импульсов ультрафиолетового света, каждый из которых длится несколько сотен аттосекунд. Физики поняли теорию этого явления еще в 1990-х годах, но прорыв в реальной идентификации и тестировании импульсов произошел в 2001 году.

Пьеру Агостини и его исследовательской группе во Франции удалось получить и исследовать серию последовательных световых импульсов, подобно поезду с вагонами. Они использовали особый прием, поместив «поезд импульсов» вместе с задержанной частью исходного лазерного импульса, чтобы увидеть, как обертоны находятся в фазе друг с другом. Эта процедура также позволила измерить длительность импульсов в «поезде», и оказалось, что каждый импульс длится всего 250 аттосекунд.

В то же время Ференц Крауш и его исследовательская группа в Австрии работали над методикой выделения одиночного импульса — например, когда вагон отцепляют от поезда и переводят на другой путь. Импульс, который удалось выделить, длился 650 аттосекунд, и группа использовала его для отслеживания и изучения процесса, в ходе которого электроны отрывались от атомов.

Эти эксперименты показали, что аттосекундные импульсы можно наблюдать и измерять, а также использовать в новых экспериментах.

Теперь, когда мир аттосекундных импульсов стал доступным, эти короткие вспышки света можно использовать для изучения движения электронов. В настоящее время существует возможность получения импульсов длительностью всего несколько десятков аттосекунд, и эта технология постоянно развивается.

Движение электронов стало понятнее

Аттосекундные импульсы позволяют измерить время отрыва электрона от атома и изучить, как это время зависит от того, насколько прочно электрон связан с ядром атома. Можно восстановить, как распределение электронов колеблется из стороны в сторону или от места к месту в молекулах и материалах; ранее их положение можно было измерить только как среднее.

Аттосекундные импульсы можно использовать для проверки внутренних процессов в веществе и для идентификации различных событий. Эти импульсы были использованы для изучения детальной физики атомов и молекул и имеют потенциальное применение в различных областях — от электроники до медицины.

Например, аттосекундные импульсы можно использовать для толчка молекул, которые излучают измеряемый сигнал. Сигнал от молекул имеет особую структуру, своего рода отпечаток пальца, по которому можно определить, что это за молекула, и это может найти применение в медицинской диагностике.

Шведская королевская академия наук приняла решение присудить Нобелевскую премию по физике за 2023 год

ПЬЕР АГОСТИНИ
Доктор философии 1968 г., Университет Экс-Марсель, Франция. Профессор Университета штата Огайо, Колумбус, США.

ФЕРЕНЦ КРАУШ
Доктор философии 1991 г. Венский технологический университет, Австрия. Директор Института квантовой оптики Макса Планка в Гархинге и профессор Университета Людвига-Максимилиана в Мюнхене, Германия.

АННА Л’ЮИЛЬЕ
Доктор философии 1986 г., Университет Пьера и Марии Кюри, Париж, Франция. Профессор Лундского университета, Швеция.

«За экспериментальные методы генерации аттосекундных импульсов света для изучения динамики электронов в веществе».

• Наш телеграм-канал
• Ссылка на статью
• Бот для скачивания статей

Разбираем популярный миф: «Вещество на 99% состоит из пустоты»

При обсуждении строения атома и вещества часто можно прочитать, что вещество на 99.99…% состоит из пустоты, с разными версиями количества девяток. Как мы сейчас увидим, это утверждение имеет весьма шаткие основания, а попытки оценить долю пустоты в веществе могут с одинаковым успехом дать любое число от 0 до 100%. Последовательное же рассмотрение вопроса в рамках квантовой механики показывает, что от пустоты вещество отличается довольно сильно.

Что не так с 99%?

Традиционная линия рассуждений (*) выглядит так: в атоме, имеющем размер около одного ангстрема (10 –10 метра), электроны вращаются вокруг ядра, размер которого в 100 000 раз меньше (около 10 –15 метра). Размер самого электрона равен нулю, это точечная частица (**) , поэтому атом оказывается практически пустым: в нем «непустое» лишь ядро. Чтобы получить долю объема атома, занимаемого ядром, нужно возвести в куб отношение их размеров. Получаем, что ядро занимает 10 –15 объема атома, остальную долю объема — это 99.99…% с 13 девятками после запятой — занимает пустота.

Если атом растянуть до размеров футбольного поля, то ядро будет величиной с маковое зернышко.

Что не так в этих рассуждениях? Давайте продолжим ту же логику, рассматривая уже не атом, а его ядро. Мы считали атомное ядро непустым, но ведь оно состоит из протонов и нейтронов, которые, в свою очередь, состоят из фундаментальных частиц — кварков и глюонов (***) . По современным представлениям, кварки и глюоны тоже являются точечными частицами, как и электрон. Следуя такой же линии рассуждений, как и в случае атома, получим, что ядро — тоже пустота, в которой летают частицы нулевых размеров. Итог: вещество ровно на 100% состоит из пустоты. Эта линия рассуждений завела нас в никуда.

Что говорит квантовая механика?

Квантовая механика говорит нам, что электрон в атоме является не маленьким шариком, летающим по орбите вокруг ядра, а размазан по пространству в виде вероятностного облака, называемого орбиталью. Плотность этого облака, или просто электронная плотность , зависит от координаты . Эта зависимость своя для каждой орбитали, тем не менее, есть общая закономерность: заметно отлична от нуля в области пространства размерами порядка ангстрема, а на больших расстояниях от ядра экспоненциально убывает.

Типичное поведение электронной плотности в атоме для разных электронных орбиталей. Источник.

Отсюда берется характерный размер атома в один ангстрем, использованный выше при сравнении размеров атома и ядра. Какой же количественный ответ на вопрос о доле пустоты в веществе может дать нам квантовая механика? Для этого нужно оценить суммарный объем, занимаемый электронными орбиталями всех атомов. А для этого, в свою очередь, следует провести четкую границу между атомом и окружающей его пустотой. Но как это сделать? Формально электронная плотность , хоть и стремится к нулю при удалении от ядра, никогда в ноль не обращается, поэтому каждая атомная орбиталь заполняет если не всю Вселенную, то, как минимум, весь объем рассматриваемого куска вещества. В этом случае получается, что пустоты в веществе нет — в любой точке есть отличная от нуля вероятность найти электрон.

Можно определить границу атома как место, где электронная плотность достигает 1/2 от максимальной. Или 1/15 — такая граница будет отстоять дальше от ядра. Или как поверхность, внутри которой содержится 1/2 всей суммарной электронной плотности. Можно ухватить и больше объема, проведя поверхность, внутрь которой попадает, например, 9/10 всей плотности.

Плотность электронного облака для орбитали в атоме водорода (показана белым цветом) и разные варианты проведения условной границы атома.

Как видим, по-разному проводя условные границы атомов, можно получать разные величины занимаемого ими объема. Поэтому и для доли пустоты в веществе можно получить любой ответ от 0 до 100%. Например, в этом видео доля пустоты оценивается как 90%. Почему именно 90, а не 80 или 95? Видимо, автор взял какой-то «стандартный» размер атома в районе одного ангстрема.

Хотя для точного определения границ атома поверхности равной электронной плотности и не годятся, они удобны, когда нужно наглядно изобразить структуру вещества на микроуровне. По форме этих поверхностей можно судить о структуре молекулярных орбиталей и химических связей.

Пример поверхности (она зеленая и полупрозрачная), на которой электронная плотность в кристалле принимает постоянное значение. Источник.

А так выглядят поверхности постоянной плотности в некоторых белках. Источник.

Что говорит квантовая теория поля?

Даже если вещество от пустоты нельзя четко отделить, можно ли хотя бы ответить на вопрос, чем вообще, с точки зрения квантовой теории, вещество отличается от пустого пространства? Для ответа обратимся к квантовой теории поля, изучающей системы многих частиц и вакуум. В этой теории любое состояние системы (точнее, квантованного поля), в которой может находиться 0, 1, 2 и т.д. частиц, характеризуется вектором, длина которого равна единице.

Подробнее

Каждый вектор можно задать его проекциями на координатные оси, число которых равно размерности пространства : . Квантовые системы описываются векторами в бесконечномерном пространстве, то есть такими векторами, число проекций которого бесконечно: . Сами же проекции в квантовой механике являются комплексными числами, это обстоятельство важно при описании явлений интерференции.

Если в системе нет ни одной частицы (пустота), ее состояние называют вакуумом, и соответствующий вектор принято обозначать как . Атом с одним электроном на любой орбитали — это состояние системы с одной частицей, вектор которого можно обозначить как . Насколько отличаются эти два состояния друг от друга? Существуют разные способы описания «расстояния» между векторами, наиболее простой и часто используемый (****) — посчитать длину разности векторов . Можно показать, что векторы и взаимно перпендикулярны, это обычная ситуация для существенно отличающихся друг от друга квантовых состояний. Выходит, что, с точки зрения квантовой теории поля, «расстояние» между пустотой и электроном, находящимся на атомной орбитали, равно .

Два взаимно перпендикулярных вектора состояния — вакуум и один электрон на атомной орбитали, — и расстояние между ними.

Получаемый ответ — что вещество всегда радикально отличается от пустоты, даже если содержит одну частицу на кубический километр, — не очень удовлетворителен, потому что из него начисто выпадает распределение вещества в пространстве. Можно ли ввести меру отличия вещества от пустоты, показывающую, насколько сильно они отличаются не в целом, а локально, в каждой точке ? Да, такую меру найти можно, и ей является не что иное как электронная плотность . Там, где электронная плотность спадает до предельно малых значений, отличие вещества от пустоты также становится несущественным.

Пара формул
Это можно понять, если учесть, что квадрат расстояния представляется в виде:

где — волновая функция многоэлектронной системы, — число электронов. Как видим, квадрат расстояния складывается из двух частей: одна из них равна единице, другая набегает за счет интеграла от электронной плотности по пространству.

Линии равных электронных плотностей в кристалле Na₂GeS₃. Чем дальше от атомных ядер, тем ниже плотность, и тем ближе пустота. Источник.

Итак, мы видим, что:

• Если рассуждать в духе «в атоме непустым является лишь ядро», то придется признать, что вещество — ровно на 100% пустота, потому что ядро — это такой же пустой «атом», только состоящий из других частиц.
• В квантовой механике электронные оболочки атомов размазаны в пространстве, и невозможно точно сказать, где кончается атом и начинается окружающее его пустое пространство. Как следствие, нельзя и точно сказать, какова доля пустоты в веществе — с одинаковым успехом можно взять любое число от 0 до 100%.
• С точки зрения квантовой теории поля, вещество даже с одним электроном существенно отличается от вакуума — эти два квантовых состояния представляются взаимно перпендикулярными векторами, расстояние между которыми равно .
• Однако можно, в каком-то смысле, ввести меру отличия вещества от вакуума не в целом, а локально, в каждой точке пространства. Этой мерой является электронная плотность . К сожалению, электронная плотность — размерная величина, она имеет размерность м –3 , и поэтому не дает нам ответа на вопрос «на сколько процентов вещество вот в этой точке отличается от пустоты». С ее помощью можно лишь судить о том, где вещество сильнее отличается от пустоты, а где слабее. Вблизи центров атомов максимальна, там вещество отличается от пустоты сильнее всего, а на больших расстояниях от атомов она очень быстро убывает, и отличие вещества от пустоты становится несущественным.

(**) По крайней мере, эксперименты на Большом электрон-позитронном коллайдере показали, что размер электрона не превышает 10 –19 м. Более поздние сверхточные измерения магнитного момента электрона дали верхнюю оценку размера электрона, равную 10 –20 м. Эти оценки показывают, что электрон, как минимум, в десятки тысяч раз меньше ядра.

(***) Интересный факт: три кварка, из которых состоит протон, дают лишь менее 2% его массы. Остальная часть массы — это виртуальные частицы (кварки и глюоны), возникающие в результате взаимодействия трех исходных кварков. Этих частиц так много, что они образуют целое «море», и поэтому называются «морскими» кварками и глюонами.

(****) В случае двух чистых квантовых состояний и такие меры расстояния между ними, как метрика Гильберта-Шмидта и метрика Фубини-Штуди, сводятся именно к длине вектора .

• Научно-популярное
• Физика