Масса электрона – мал золотник да дорог
Если навскидку попросить 100 человек назвать хотя бы три известные элементарные частицы, то, возможно, не все назовут все три, но никто не забудет назвать чемпиона по популярности - электрон. Маленький, самый легкий среди несущих заряд частиц, вездесущий и…, к сожалению, «отрицательный», он входит в состав любого вещества на Земле и уже этим заслуживает особое к себе отношение. Название частицы возникло еще в древней Греции от греческого слова «янтарь» - материал, который любили древние за его способность притягивать мелкие предметы. Затем, когда исследования электричества получили больший размах, термин «электрон» стал означать неделимую, а значит, и наименьшую единицу заряда.
Вечную жизнь электрону, как неотъемлемой частичке вещества, подарила группа физиков, руководимая Дж. Дж.Томсоном. В 1897 г. они, исследуя катодные лучи, определили, как относится масса электрона к его заряду, и установили, что это отношение не зависит от материала катода. Следующий шаг в познании природы электрона сделал Беккерель в 1900 г. В его эксперименте было доказано, что бета-лучи радия также отклоняются в электрическом поле, и у них отношение массы к заряду одинаковое с катодными лучами. Это стало неоспоримым доказательством того, что электрон – это «самостоятельный кусочек» атома любого вещества. А потом, в 1909 г., Роберт Милликен в опыте с капельками масла, которые падали в электрическом поле, сумел измерить электрическую силу, уравновешивающую силу тяжести. Тогда же стала известной величина элементарного, т.е. наименьшего, заряда:
eo = - 1,602176487(49) * 10-19 Кл.
Этого стало достаточно, чтоб была вычислена масса электрона:
me = 9,10938215(15) * 10-31кг.
Казалось бы, вот теперь порядок, все позади, но это было только начало длинного пути познания природы электрона.
Долгое время тупиком физики была еще не доказанная, но все более заявляющая о себе двуликая сущность электрона: его квантово-механические свойства указывали на частицу, а в экспериментах по интерференции электронных пучков на параллельных щелях проявлялась волновая природа. Момент истины настал в 1924 г., когда сначала Луи де Бройль наделил все материальное, и электрон тоже, волнами, названными его именем, а через 3 года Паули завершил формирование исходных понятий квантовой механики, описывающих квантовую природу частиц. Затем наступил черед Эрвина Шредингера и Поля Дирака – дополняя друг друга, они нашли уравнения для описания сущности электрона, в которых масса электрона и постоянная Планка, квантовые величины, нашли свое отражение через волновые характеристики - частоту и длину волны.
Безусловно, такое двуличие элементарной частицы имело далеко идущие последствия. Со временем стало понятно, что характеристики свободного электрона вне вещества (как пример - катодные лучи) - это совсем не то же самое, что у электрона в виде электрического тока в кристалле. Для свободного электрона его масса известна как «масса покоя электрона». Физическая природа различия масс электрона в разных условиях вытекает из того факта, что его энергия зависит от насыщения магнитным полем пространства, в котором он движется. Более глубокие «разборки» показывают, что величина магнитного поля движущихся в проводнике электронов, точнее, протекания тока в веществе, зависит не от величины заряда носителей тока, а от их массы. Но, с другой стороны, удельная энергия магнитного поля равна плотности кинетической энергии движущихся зарядов, а рост этой энергии фактически эквивалентен увеличенной массе носителей заряда, которую назвали «эффективная масса электрона». Аналитически было определено, что она больше массы свободного электрона в a/2λ раз, где a – расстояние между плоскостями, ограничивающими проводник, λ - глубина скин-слоя магнитного поля.
В физике элементарных частиц масса электрона является одной из опорных констант. Биография электрона не закончилась – всегда актуальны и востребованы исследования, где он выступает непременным участником. Уже давно стало ясно, что хоть и маленький, элементарный, а Вселенной без него – ни шагу.