Маса електрона – малий золотник та дорогий

Якщо навскидку попросити 100 чоловік назвати хоча б три відомі елементарні частинки, то, можливо, не всі назвуть всі три, але ніхто не забуде назвати чемпіона за популярністю – електрон. Маленький, самий легкий серед несуть заряд частинок, всюдисущий і…, на жаль, «негативний», він входить до складу будь-якої речовини на Землі і вже цим заслуговує на особливе до себе ставлення. Назва частинки виникло ще в давній Греції від грецького слова «бурштин» – матеріал, який любили стародавні за його здатність притягувати дрібні предмети. Потім, коли дослідження електрики отримали більший розмах, термін «електрон» став означати неподільну, а значить, і найменшу одиницю заряду.

Вічне життя електрону, як невід\’ємної часточки речовини, подарувала група фізиків, керована Дж. Дж.Томсоном. У 1897 р. вони, досліджуючи катодні промені, визначили, як ставиться маса електрона до його заряду, і встановили, що це відношення не залежить від матеріалу катода. Наступний крок у пізнанні природи електрона зробив Беккерель в 1900 р. В його експерименті було доведено, що бета-промені радію також відхиляються в електричному полі, і у них відношення маси до заряду однакову з катодними променями. Це стало незаперечним доказом того, що електрон – це «самостійний шматочок» атом будь-якої речовини. А потім, в 1909 Роберт Міллікен в досвіді з крапельками олії, які падали в електричному полі, зумів виміряти електричну силу, врівноважуючу силу тяжіння. Тоді ж стала відомою величина елементарного, тобто найменшого заряду:

eo = – 1,602176487(49) * 10-19 Кл.

Цього стало досить, щоб була обчислена маса електрона:

me = 9,10938215(15) * 10-31кг.

Здавалося б, ось тепер порядок, все позаду, але це був лише початок довгого шляху пізнання природи електрона.

Довгий час тупиком фізики була ще не доведена, але все більше заявляє про себе дволика сутність електрона: його квантово-механічні властивості вказували на частинку, а в експериментах по інтерференції електронних пучків на паралельних щілинах проявлялася хвильова природа. Момент істини настав у 1924 р., коли спочатку Луї де Бройль наділив все матеріальне, і електрон теж, хвилями, названих його ім\’ям, а через 3 роки Паулі завершив формування вихідних понять квантової механіки, що описують квантову природу частинок. Потім настала черга Ервіна Шредінгера і Поля Дірака – доповнюючи один одного, вони знайшли рівняння для опису сутності електрона, в яких маса електрона і постійна Планка, квантові величини, знайшли своє відображення через хвильові характеристики – частоту й довжину хвилі.

Безумовно, таке лукавство елементарної частинки мало далекосяжні наслідки. З часом стало зрозуміло, що характеристики вільного електрона поза речовини (як приклад – катодні промені) – це зовсім не те ж саме, що у електрона у вигляді електричного струму в кристалі. Для вільного електрона його маса відома як «маса спокою електрона». Фізична природа різниці мас електрона в різних умовах випливає з того факту, що його енергія залежить від насичення магнітним полем простору, в якому він рухається. Більш глибокі «розборки» показують, що величина магнітного поля рухаються в провіднику електронів, точніше, протікання струму в речовині, залежить не від величини заряду носіїв струму, а від їх маси. Але, з іншого боку, питома енергія магнітного поля дорівнює щільності кінетичної енергії рухомих зарядів, а зростання цієї енергії фактично еквівалентний збільшеної маси носіїв заряду, яку назвали «ефективна маса електрона». Аналітично було визначено, що вона більше маси вільного електрона в a/2 раз, де a – відстань між площинами, що обмежують провідник, – глибина скін-шару магнітного поля.

У фізиці елементарних частинок маса електрона є однією з опорних констант. Біографія електрона не закінчилася – завжди актуальні і затребувані дослідження, де він виступає неодмінним учасником. Вже давно стало ясно, що хоч і маленький, елементарний, а Всесвіту без нього – ні кроку.