Делимость электрического заряда электрона - модели, принципы и опыты

Если атом в целом электрически нейтрален, это означает, что положительная частица внутри обязательно будет равна целому числу элементарных носителей. Другими словами, электрический заряд можно делить на число кратное 1,6 * 10^-19 кулон.

Установленный закон очень важен, так как с его помощью стало возможным определить удельное значение минимальной частицы. Её изучают при исследовании движения носителей в электромагнитном поле. По сути, это понятие пропорционально заряду электрона и обратно пропорционально его массе. Для элементарного электрона удельная величина составляет: e / m = 1,76 * 10¹¹ Кл / кг.

Это очень маленькое число, поэтому в повседневной жизни заметить, что энергия электричества дискретна и меняется скачкообразно, невозможно. Кажется, что заряд изменяется плавно, как можно увидеть на опыте, часто показываемом в 8 классе средней школы. Для его проведения понадобится:

• электроскоп;
• стеклянная палочка;
• проводник.

На ровную поверхность, например, пол, нужно поставить 2 электроскопа и соединить их проводником. Стрелки приборов будут показывать 0. Это значит, что никакой заряженности нет. Теперь наэлектризованную стеклянную палочку следует просто поднести к одному из приборов. Обе стрелки отклонятся. Если проводник резко забрать, можно увидеть, что указатели практически не изменят положение.

Такое поведение говорит, что если палочку зарядить, через проводник с одного прибора электроны перейдут на другое устройство, к которому поднесено заряженное тело. Причём суммарное значение энергии не изменится и будет равняться 0. Значит, один электрометр будет заряжен положительно, а другой отрицательно. Это предположение легко подтвердить, если снова замкнуть приборы. Их стрелки укажут на 0, так как произойдёт снова деление зарядов.

Этот эксперимент можно назвать электризацией через влияние. Сообщение через проводник, несмотря на плавное отклонение стрелок, происходит скачком в соответствии с кратностью делимости.

Открытие дискретности повлияло на создание полупроводниковой теории. Учёные смогли понять закономерности p-n переходов, определить уровни барьеров, изучить увеличение энергии основного состояния системы.

Понятие об электрон-вольте

Пусть имеется электрическое поле, силовые линии которого направлены вправо. В неё можно поместить частицу, на которую начнёт действовать сила. В зависимости от знака заряда, линии действия поля будут совпадать с ней или иметь противоположное направление. Когда частица не имеет связей, то есть свободная, она начнёт ускоряться. Иными словами, получит кинетическую энергию, которая со временем будет возрастать.

Теорема о кинетической энергии гласит, что её изменение равняется суммарной работе всех сил, действующих на тело: ΔWk = A. Поскольку действует только электрополе, воздействие будет электрическим. Значит: Δ Wk = (f1 — f2) q. Так как в начальный момент частица была неподвижна, энергия была равна 0, значит, изменение которое приобрёл носитель, является ускоренным. Её называют ускоряющей разностью потенциалов и определяют как f1 — f2.

Например, если q = 1 Кл, кинетическая энергия составит 1 джоуль. Пусть заряд будет равен значению электрона. Тогда энергия, которую приобретёт частица, будет составлять один электрон-вольт: W = 1 эВ. Таким образом, один электрон-вольт — это энергия, которую приобретает частица с элементарным зарядом, проходя ускоряющую разность потенциалов в один вольт.

Количественно это значение можно записать так: 1эВ = 1,6 * 10^-19 Кл * 1 В = 1,6 * 10^-19 Дж. Существуют и производные единицы, которыми можно характеризовать заряд:

• 1 кэВ = 10³ эВ = 1,6 * 10^-16 Дж;
• 1 МэВ = 10⁶ эВ = 1,6 * 10^-13 Дж;
• 1 ГэВ = 10⁷ эВ = 1,6 * 10^-10 Дж;
• 1 ТэВ = 10¹² эВ = 1,6 * 10^-7 Дж.

Допустим, W = 7 ЕэВ, а скорость движения частицы будет 1 м/с. Это реальные цифры, которыми может обладать элементарная, разогнанная в коллайдере частица, имеющая минимальный заряд. Тогда её массу можно определить из формулы для расчёта энергии движения: W = mV² / 2. Отсюда, выразив искомое, можно определить её значение, подставив известные данные: m = 2 * W / V² = 2 * 7 * 10¹² * 1,6 * 10^-19 Дж * с² / 1м² = 22,4 * 10^-7кг.

Получается, что электрон обладает такой же энергией, как и макроскопическое тело массой 2 мг, двигаясь со скоростью один метр в секунду. Полученные данные соответствуют весу комара. А вывод можно сделать следующий: микроскопическая частица, являющаяся составной частью ядра, может быть разогнана до такой скорости, когда энергия электрона будет соответствовать макроскопическому телу.