điện tử

22

điện tử

Một trong những thành phần cấu thành của nguyên tử, electron tích điện âm, được phát hiện vào thế kỷ 19. Năm 1897 người ta đã có thể đo được điện tích của một electron, dù chỉ một cách đại khái; sau đó khối lượng của nó được đo và thậm chí sau đó các tính chất khác của nó được phát hiện - mômen quay và mô men từ.

Khi được chiếu sáng, đặc biệt là bằng tia cực tím, vật tích điện âm dần mất điện tích và vật trung tính sẽ tích điện dương. Hiện tượng này, được gọi là hiệu ứng quang điện hay nói ngắn gọn là hiệu ứng quang điện, đã được Stoletov nghiên cứu vào thế kỷ 19. Bản chất của các điện tích do cơ thể phát ra trong hiệu ứng quang điện - các electron - đặc biệt rõ ràng trong thí nghiệm tôi tiến hành vào năm 1912, một thí nghiệm cải tiến các thiết bị đã được sử dụng trước đây.

Bụi kim loại tích điện nhỏ o rơi vào khoảng trống giữa hai tấm nằm ngang A và B (Hình 1). Nếu hạt mang điện tích âm thì nó có thể được giữ không bị rơi bằng cách tích điện dương cho tấm trên và tấm dưới tích điện âm.

Bài viết này được trích từ cuốn sách “Những khái niệm cơ bản của vật lý hiện đại” của A.F. Ioffe (M. - L., GITTL, 1949). Chúng tôi đang đăng nó với những thay đổi và bổ sung nhỏ. Bản in nhỏ bổ sung.

Một hạt bụi tích điện dương được giữ bởi một trường trái dấu. Có thể chọn độ chênh lệch điện thế $U_1$ giữa các bản sao cho lực điện vừa cân bằng với trọng lực. Sau đó hạt bụi treo bất động trong nhiều giờ.

Lực điện tác dụng lên điện tích $e_1$ của bụi hướng lên trên và bằng $e_1 \frac{U_1}{d}$, trong đó $d$ là khoảng cách giữa các bản $A$ và $B$. Chúng ta biểu thị lực hấp dẫn tác dụng lên các hạt bụi bằng $P$. Điều kiện để bụi cân bằng trong không gian giữa các bản là lực hấp dẫn và lực điện bằng nhau:

$$P = e_1 \frac{U_1}{d}.$$

Ở trạng thái này, tôi chiếu sáng phấn hoa bằng nguồn sáng gây ra hiệu ứng quang điện. Một lúc sau, lớp bụi bất động trước đó bắt đầu rơi xuống. Vì trọng lực $P$ không thể thay đổi do chiếu sáng, $U_1$ và $d$ không thay đổi, do đó, điện tích $e_1$ giảm xuống một giá trị nào đó $e_2$.

Bằng cách tăng hiệu điện thế $U_1$ lên giá trị mới $U_2$, người ta có thể ngăn chặn bụi trở lại; trong trường hợp này đẳng thức $e_2 \frac{U_2}{d} = P$ phải được thỏa mãn.

Bằng cách sạc và xả bụi lại, quá trình này có thể được lặp lại hàng trăm lần, mỗi lần ở mức điện thế tương ứng $U_1, U_2, U_3, \dots$. Hóa ra các điện tích khác nhau $e_1, e_2, e_3, \dots$ mà bụi có được biểu thị chính xác bằng mối quan hệ sau:

$$e_1:e_2:e_3:... = \frac{1}{U_1}:\frac{1}{U_2}:\frac{1}{U_3}:... = 1:2:3:...$$

Hình 1. Sơ đồ thí nghiệm xác định điện tích của electron.

23

Điện tích của một hạt bụi thay đổi như một dãy số nguyên. Khi chỉ còn lại một điện tích âm trên một hạt bụi, nó sẽ mất hoàn toàn khi được chiếu sáng và không được tích điện. Thật vậy, không có hiệu điện thế $U$ (không dương cũng không âm) có thể thay thế được sự rơi của một hạt. Nhưng nếu tiếp tục chiếu sáng trong suốt quá trình rơi, thì sau một thời gian, hạt bụi mất đi điện tích khác, trở nên tích điện dương và sau đó nó có thể được giữ lại, nhưng chỉ với hiệu điện thế ngược lại, khi điện thế của lớp trên là âm và lớp dưới là dương.

Hàng nghìn thí nghiệm như vậy với các hạt bụi từ nhiều vật liệu khác nhau đã chỉ ra rằng điện tích của bất kỳ hạt bụi nào luôn bao gồm một số nguyên các phần xác định, bằng những thay đổi hiện đại chính xác nhất $4,8024 \cdot 10^{-10}$ đơn vị tĩnh điện tuyệt đối (một đơn vị được coi là điện tích đẩy một điện tích bằng nhau đặt ở khoảng cách 1 cm, với lực là 1 dyne) $^*$). Mỗi khi một hạt bụi mất đi điện tích âm trong quá trình chiếu sáng, nó sẽ bằng - $4,8024 \cdot 10^{-10}$ tuyệt đối.

Những điện tích âm đơn này được gọi là electron.

Chưa bao giờ và ở đâu người ta có thể quan sát thấy các điện tích làm thay đổi điện tích của một electron hoặc bằng một số điện tích không nguyên. Các hạt tích điện âm tương tự - các electron - được phát ra bởi các vật thể bị nung nóng. Hiện tượng này được gọi là phát xạ nhiệt; nó được sử dụng rộng rãi trong các ống radio.

Khi một điện tích truyền qua các khí có độ loãng cao, một dòng điện tích âm gọi là tia âm cực phát ra từ cực âm (kathad). Có thể cho thấy điều đó

$^*$) Dựa trên những thay đổi được thực hiện cho đến nay, điện tích nhỏ nhất (dương hoặc âm) bằng $e = 4,803250(21) \cdot 10^{-10}$ đơn vị tĩnh điện tuyệt đối (đơn vị SGSE) hoặc (tính theo SI) $e = 1,6021892(46) \cdot 10^{19}$ Cl.

Tia âm cực là dòng electron giống nhau.

Bằng cách đặt các tia danh mục hoặc một dòng quang điện tử trong từ trường, người ta có thể xác định tỷ lệ điện tích của các electron $e$ với khối lượng của chúng $m$, và do đó, xác định được khối lượng của chính các electron.

Hóa ra là không chỉ điện tích mà cả khối lượng $m$ của các electron có nguồn gốc rất khác nhau hoàn toàn trùng khớp và điều đó

$$m = 9,1060 \cdot 10^{-28} \text{ г.}$$

Trong thập kỷ đầu tiên của chúng ta, vectơ của nó là hạt “cơ bản” duy nhất được biết đến vào thời điểm đó. Các nhà vật lý cho rằng electron là nguyên tố cuối cùng và đơn giản nhất của tự nhiên, và tưởng tượng nó là những nguyên tử bằng nhau, có dạng quả bóng, trên thể tích hoặc bề mặt mà điện tích được phân bố.

Tuy nhiên, ngay cả khi đó, vào năm 1908, V.I. Lênin đã chỉ ra rằng những nguyên tắc của các chất liệu biện chứng về tính đa dạng vô tận của tự nhiên khiến chúng ta cho rằng electron là một cấu tạo phức tạp.

Dự đoán này sau đó đã được xác nhận, mặc dù chúng ta vẫn không thể chắc chắn về bức tranh hoàn chỉnh hiện có về electron.

Hóa ra electron có mômen quay (spin) $s$ và mômen từ $μ$.

Mômen từ của electron xác định mô men cực đại của lực tác dụng lên electron trong từ trường có cảm ứng $B$:

$$M_{\text{max}} = |B| \mu.$$

Để rẽ với dòng điện $I$

$$M_{\text{max}} = |B| IS,$$

trong đó $S$ là diện tích bị giới hạn bởi cuộn dây (xem Vật lý 9). Do đó, mô men từ của cuộn dây có dòng điện bằng $μ = IS$. Mômen từ là một đại lượng vectơ. Vector $\mu$ hướng vuông góc với mặt phẳng của khung dây.

Tính chất từ ​​của electron được bộc lộ rõ ​​ràng trong các thí nghiệm do Stern và Gerlach thực hiện bằng phương pháp chùm tia phân tử. Phương pháp này nghiên cứu dòng chảy của các phân tử dưới dạng một dải ruy băng mỏng, được cô lập bằng hệ thống các khe hẹp trong không gian nơi không khí được tạo ra.

24

Có thể có độ chân không cao. Bất kỳ sự sai lệch nào của dòng phân tử như vậy so với đường thẳng chỉ có thể được gây ra bởi tác dụng của lực và những lực này có thể được tính từ tốc độ ban đầu của phân tử và độ lớn của độ lệch. Phương pháp này được sử dụng để phát hiện nhiều loại ảnh hưởng, bao gồm cả những ảnh hưởng yếu như lực hấp dẫn.

Nếu bạn truyền một chùm phân tử qua một từ trường mạnh và hơn nữa là không đồng nhất mạnh, thì các phân tử riêng lẻ sẽ lệch càng mạnh, mô men từ của chúng càng lớn và góc giữa hướng của mô men từ và hướng của từ trường mà các phân tử đi qua càng nhỏ.

Mômen từ có thể đến từ cả tính chất từ ​​của bản thân electron và từ dòng điện mà electron tạo ra khi chuyển động trong quỹ đạo kín. Ví dụ, nếu một electron di chuyển dọc theo một vòng tròn có bán kính $r$ với tốc độ $v$, thì electron đó sẽ đi qua tiết diện của vòng tròn $v/2\pi r$ lần mỗi giây, mỗi lần truyền điện tích của nó $e$. Do đó, quay quanh một vòng tròn bán kính $r$, electron biểu thị dòng điện $i = ev/2\pi r$. Mô men từ $\mu$ của một electron chuyển động theo quỹ đạo tròn bằng

$$\mu = \pi r^2 i = \frac{evr}{2}.$$

Động lượng góc cơ học của một electron quay quanh như vậy là $L = mvr$.

Như vậy, để electron chuyển động theo quỹ đạo tròn

$$\frac{\mu}{L} = \frac{e}{2m}.$$

Trong các nguyên tử hydro, lithium và bạc, mômen quay cơ học của electron khi chuyển động trên quỹ đạo bằng 0: $L = 0$. Do đó, mô men từ $\mu$ phải bằng 0.

Trong khi đó, dòng của tất cả các nguyên tử này đều có sự thay đổi tốt khi đi qua từ trường (Hình 2). Trong trường hợp này, toàn bộ luồng được chia thành

$$\frac{\mu}{s} = \frac{e}{m}$$

— tỷ lệ $\mu/s$ lớn gấp đôi tỷ lệ $\mu/L$.