电子的运动速度
(2012-03-08 22:55:22)
电子没有被原子核吸到核上,是因为它以很大的速度绕核运动,这个速度有多大呢?
按玻尔理论,氢原子核外电子的可能轨道是,0.53×10^-10米。根据电子绕核运动的向心力等于电子与核间的库仑力,可计算电子绕核的速度,代入数据得v1=2.2×10^6米/秒,同理可得电子在第二、第三能级上的运动速度v2=1.1×10^6米/秒,v3=0.73×10^6米/秒.从以上数字可知,电子离核越运其速度越小.
光电子速度
在光的照射下从物体发出电子的现象叫做光电效应.发射出来的电子叫光电子,光电子的速度有多大呢?由爱因期坦光电效应方程,可以计算出电子逸出的最大速度,如铯的逸出功是3.0×10^-19焦,用波长是0.5890微米的黄光照射铯,光电效应方程与 联立可求出电子从铯表面飞出的最大初速度,代入数字得vm=2.9×10^5米/秒.如果用波长更短的光照射铯,电子飞出铯表面的速度还会更大.从而得知,不同的光照射不同的物质,发生光电效应时电子飞出的最大速度也不同.
金属导体中自由电子热运动的平均速率
因为自由电子可以在金属晶格间自由地做无规则热运动,与容器中的气体分子很相似,所以这些自由电子也称为电子气.根据气体分子运动论,电子热运动的平均速率,式中k是玻耳兹常数,其值为1.38×10-23焦/开,m是电子质量,大小为0.91×10-30千克,T是热力学温度,设t=27℃,则T=300K,代入以上公式可得v =1.08×10^5米/秒.
金属导体中自由电子的定向移电速率
设铜导线单位体积内的自由电子数为n,电子定向移动为v,每个电子带电量为e,导线横截面积为S.则时间t内通过导线横截面的自由电子数 ,其总电量。根据得,代入数字可得v =7.4×10^-5米/秒,即0.74毫米/秒.从以上数据可知,自由电子在导体中定向移动速率(约10^-4米/秒)只约为自由电子热运动的平均速率(约10^5米/秒)的1/10^9.这说明电流是导体中所有自由电子以很小的速度运动所形成的.这是为什么呢?金属导体中自由电子定向移动速度虽然很小,但是它的"传导速度"是很大的,好像一队学生从前校门列队到后操场,没有行进命令时,都是站着不动的(相当于导线中无电流),一声令下,虽然后操场最后的那位同学可能要走很久才能到达前校门,但只要整个队列一动,马上就有学生出了前校门!(相当于整个导线中各处都有了电流)。这里前校门开始有学生走出的反应速度决定于口令声波的传播速度,同样,导线中即使很远的地方开始有电流的反应速度,只决定于"口令"电磁场在导线中的传播速度(等于光速)。
自由电子在交流电路中的运动速率
当金属中有电场时,每个自由电子都将受到电场力的作用,使电子沿着与场强相反的方向相对于晶格做加速的定向运动.这个加速定向运动是叠加在自由电子杂乱的热运动之上的.对某个电子来说,叠加运动的方向是很难确定的.但对大量自由电子来说,叠加运动的定向平均速度方向是沿着电场的反方向.电场大小变化或电场方向改变,其平均速度大小和方向都变化.对50赫的交流电而言,可推导出自由电子的定向速,τ为自由电子晶格碰撞时间,其数量级为10^-14秒.所受到的合力,即电子所受的力满足.这说明自由电子在交流电路中是做简谐运动.其电子定向运动的最大速率为:,振幅约为10^-6米.
打在电视荧光屏上的电子速度
电视机显像管与示波管的基本原理是相同的,故电子在电视荧光屏上的速度,也可根据带电粒子在匀强电场中的运动规律求出.以黄河47cm彩电为例,其加速电压按12000伏计算,电子打在荧光屏上的速度,代入数字得v =6.5×10^7米/秒.
打在对阴极上的电子速度
伦琴射线管中阴极炽热钨丝发出的电子在电场的作用下以很大的速度打到对阴极上,设伦琴射线管阴阳两极间高压为10万伏,则电子在电场力作用下做加速运动,求其速度用公式显然是不行的.因为在如此高速情况下,会有明显的相对论效应,电子质量将随其速度增大而增大,故需用相对论质量公式代入上式求出,即,代入数字得v =1.70×10^8米/秒.
正负电子对撞的速度
我国1989年初投入运行的第一台高能粒子器--北京正负电子对撞机,能使电子束流的能量达到28+28亿电子伏.那么正负电子相撞的速度有多大呢?根据即可求出v =2.98×10^8米/秒.可见其速度之大接近光速(光速取3×10^8米/秒).
轰击质子的电子速度
为了探索质子的内部结构,使用了200亿电子伏的电子去轰击质子.这样的高能电子是利用回旋加速器得来的.电子的速度同样可用来计算,代入数字得2.999×10^8米/秒,此速度极接近光速.
通过以上讨论可知,在各种不同情况电子的速度大小各异,但电子运动的速率永远不能等于光速,更不能大于光速,只可能接近光速.1901年德国物理学爱考夫曼用镭放射出的β射线进行实验时,发现了电子质量随速度变化而变化的现象,当电子速度接近光速时其质量急剧增加.1905年爱因斯坦发表了狭义相对论,他提出:物体的质量不是固定不变的,它随物体运动速度的增大而增大. (c为光速)当物体运动速度v =0.8c时,其运动质量为静止质量的3.1倍.28亿电子伏的电子其运动质量是静止质量的8.77倍.200亿电子伏的电子其运动质量是静止质量的1224倍.
如果光速设定为1, 那么电子的速度是0.5----0.8, 多数情况下是0.6-----0.75
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