Відомо, що електрони мають негативний заряд. Але яким чином можна переконатися в тому, що маса електрона і його заряд постійні для всіх цих частинок? Перевірити це можна, тільки піймавши його на льоту. Зупинившись, він загубиться серед молекул і атомів, з яких складається лабораторне обладнання. Процес пізнання мікросвіту і його частинок пройшов довгий шлях: від перших примітивних експериментів до новітніх розробок в області експериментальної атомної фізики.
Перші відомості про електронах
Сто п`ятдесят років тому електрони відомі не були. Першим дзвіночком, що вказує на існування «цеглинок» електрики, були досліди по електролізу. У всіх випадках кожна заряджена частинка речовини несла стандартний електричний заряд, який мав одну і ту ж величину. У деяких випадках кількість заряду подвоювалося або потроюється, але завжди залишалося кратним однієї мінімальної величині заряду.
Експерименти Дж. Томпсона
У лабораторії Кавендіша Дж. Томсон провів експеримент, реально доводить існування частинок електрики. Для цього вчений досліджував випромінювання, що виходить з катодних трубок. В експерименті промені відштовхувалися від негативно зарядженої пластини і притягувалися до позитивно зарядженої. Гіпотеза про постійну присутність в електричному полі деяких електричних частинок підтвердилася. Швидкість руху їх була порівнянна з швидкістю світла. Електричний заряд в перерахунку на масу частинки виявився неймовірно великим. Зі своїх спостережень Томпсон вивів кілька висновків, які згодом були підтверджені іншими дослідженнями.
висновки Томпсона
- Атоми можуть бути розбиті при бомбардуванні швидшими частинками. При цьому з середини атомів вириваються негативно заряджені корпускули.
- Все заряджені частинки мають однакову масу і заряд незалежно від речовини, з якого вони були отримані.
- Маса цих частинок набагато менше маси найлегшого атома.
- Кожна частинка речовини несе в собі найменшу можливу частку електричного заряду, менше якого в природі не існує. Будь-яке заряджене тіло несе в собі цілу кількість електронів.
Докладні досліди дали можливість провести розрахунки параметрів таємничих мікрочастинок. В результаті було з`ясовано, що відкриті заряджені корпускули є неподільними атомами електрики. Згодом їм було дано назву електронів. Воно прийшло ще з Давньої Греції і виявилося доречним для опису нововідкритій частки.
Пряме вимірювання швидкості електрона
Оскільки немає ніяких можливостей побачити електрон, досліди, необхідні для вимірювання базових величин цієї елементарної частинки, виробляються за допомогою полів - електромагнітного і гравітаційного. Якщо перше впливає тільки на заряд електрона, то за допомогою тонких дослідів, враховуючи гравітаційний вплив, можна було приблизно розрахувати масу електрона.
Електронна гармата
Найперші вимірювання мас і зарядів електронів були проведені за допомогою електронної гармати. Глибокий вакуум в тілі гармати дозволяє електронам нестися вузьким пучком від одного катода до іншого. 
Електрони змушують двічі проходити через вузькі отвори з постійною швидкістю v. Відбувається процес, подібний до того, як струмінь із садового шлангу потрапляє в дірку в паркані. Порції електронів летять уздовж трубки з постійною швидкістю. Експериментально доведено, що якщо напруга, прикладена до електронної гармати, становить 100 В, то швидкість електрона буде розрахована як 6 млн м / с.
експериментальні висновки
Пряме вимірювання швидкості електрона показує, що незалежно від того, з яких матеріалів зроблена гармата і яка різниця потенціалів, виконується співвідношення e / m = const.
Цей висновок був зроблений вже на початку XX століття. Однорідні пучки заряджених частинок тоді ще створювати не вміли, для дослідів використовувалися інші прилади, але результат залишався тим же. Експеримент дозволив зробити кілька висновків. Ставлення заряду електрона до його маси має одну і ту ж величину для електронів. Це дає можливість зробити висновок про універсальність електрона як складової частини будь-якої матерії в нашому світі. При дуже великих швидкостях величина e / m менша за очікувану. Цей парадокс можна зрозуміти тим фактом, що при високих швидкостях, порівнянних зі швидкістю світла, маса частинки збільшується. Граничні умови перетворень Лоренца говорять про те, що при швидкості тіла, що дорівнює швидкості світла, маса цього тіла стає нескінченною. Помітне збільшення маси електрона відбувається в повній згоді з теорією відносності.
Електрон і його маса спокою
Парадоксальне висновок про те, що маса електрона непостійна, тягне за собою кілька цікавих висновків. У звичайному стані маса спокою електрона не змінюється. Її можна виміряти на підставі різних експериментів. В даний час маса електрона неодноразово виміряна і становить 9,10938291 (40) middot-10 sup3-sup1-кг. Електрони з такою масою вступають в хімічні реакції, формують рух електричного струму, уловлюються точнейшими приладами, що реєструють ядерні реакції. Помітне збільшення цього значення можливо тільки при швидкостях, близьких до швидкості світла.
Електрони в кристалах
Фізика твердого тіла - це наука, яка веде спостереження за поведінкою заряджених частинок в кристалах. Підсумком численних експериментів стало створення особливої величини, що характеризує поведінку електрона в силових полях кристалічних речовин. Це так звана ефективна маса електрона. Її величина обчислюється виходячи з того, що рух електрона в кристалі підпорядковується додатковим силам, джерелом яких є сама кристалічна решітка. Такий рух можна описати як стандартне для вільного електрона, але при розрахунку імпульсу і енергії такої частки слід брати до уваги не масу спокою електрона, а ефективну, значення якої буде іншим.
Імпульс електрона в кристалі
Стан будь-якій вільній частки може бути охарактеризоване величиною її імпульсу. Оскільки значення імпульсу вже визначено, то, відповідно до принципу невизначеності, координати частинки немов розмиті по всьому кристалу. Імовірність зустріти електрон в будь-якій точці кристалічної решітки практично однакова. Імпульс електрона характеризує його стан в будь-який координаті енергетичного поля. Розрахунки показують, що залежність енергії електрона від його імпульсу така ж, як і вільної частинки, але при цьому маса електрона може приймати значення, що відрізняється від звичайного. В цілому енергія електрона, виражена через імпульс, матиме вигляд E (p) = p2/ 2m *. В даному випадку m * - ефективна маса електрона. Практичне застосування ефективної маси електрона надзвичайно важливо при розробці та вивченні нових напівпровідникових матеріалів, що застосовуються в електроніці і МІКРОТЕХНІКА.
Маса електрона, як і будь-який інший квазічастинки, не може бути охарактеризована стандартними характеристиками, придатними в нашому Всесвіті. Будь-яка характеристика мікрочастинки здатна дивувати і ставити під сумнів усі наші уявлення про навколишній світ.
