Введение

Физическая величина, представляющая интерес в химии и электродинамике. Отношение массы к заряду (m/Q) – это физическая величина, связывающая массу (количество вещества) и электрический заряд данной частицы, выраженная в единицах килограммов на кулон (кг/Кл). Она наиболее широко используется в электродинамике заряженных частиц, например, в электронной и ионной оптике. Эта величина встречается в таких научных областях, как электронная микроскопия, кинескопы, физика ускорителей, ядерная физика, спектроскопия Оже, космология и масс-спектрометрия. Важность отношения массы к заряду, согласно классической электродинамике, заключается в том, что две частицы с одинаковым отношением массы к заряду движутся по одной и той же траектории в вакууме при воздействии одинаковых электрических и магнитных полей. В некоторых областях вместо этого используют отношение заряда к массе (Q/m), которое является величиной, обратной отношению массы к заряду. Рекомендуемое CODATA значение для электрона:

Массовая спектрометрия и m/z

Вышеуказанные единицы и обозначения используются при рассмотрении физики масс-спектрометрии; однако, обозначение m/z применяется для независимой переменной в масс-спектре. Это обозначение упрощает интерпретацию данных, поскольку оно численно больше связано с дальтоном. Таким образом, он показал, что электрон является частицей, обладающей массой и зарядом, и что его отношение массы к заряду значительно меньше, чем у иона водорода H+. В 1898 году Вильгельм Вин разделял ионы (канальные лучи) в соответствии с их отношением массы к заряду, используя ионно-оптическое устройство с совмещенными электрическими и магнитными полями (вин-фильтр). В 1901 году Вальтер Кауфман измерил увеличение электромагнитной массы быстрых электронов (эксперименты Кауфмана — Бухера — Неймана), или, в современных терминах, релятивистское увеличение массы. В 1913 году Томсон измерил отношение массы к заряду ионов с помощью прибора, который он назвал параболическим спектрографом. В настоящее время прибор, измеряющий отношение массы к заряду заряженных частиц, называется масс-спектрометром.

Значение

В некоторых экспериментах соотношение заряда к массе является единственной величиной, которую можно измерить непосредственно. Зачастую заряд можно определить на основе теоретических рассуждений, поэтому соотношение заряда к массе позволяет вычислить массу частицы. Часто соотношение заряда к массе можно определить, наблюдая отклонение заряженной частицы во внешнем магнитном поле. Циклотронное уравнение, в сочетании с другой информацией, такой как кинетическая энергия частицы, позволяет определить соотношение заряда к массе. Одним из применений этого принципа является масс-спектрометр. Тот же принцип может быть использован для получения информации в экспериментах с использованием облачной камеры. Отношение электростатической силы к силе гравитации между двумя частицами будет пропорционально произведению их соотношений заряда к массе. Оказывается, гравитационные силы пренебрежимо малы на субатомном уровне из-за чрезвычайно малых масс субатомных частиц.

Электрон

Заряд электрона к его массе, , – величина, которую можно измерить в экспериментальной физике. Она важна, поскольку массу электрона me сложно измерить напрямую, и её получают на основе измерений элементарного заряда e и . Эта величина также имеет историческое значение: отношение Q/m электрона было успешно рассчитано Дж. Дж. Томсоном в 1897 году, а затем более точно – Даннингтоном, что связано с угловым моментом и отклонением в перпендикулярном магнитном поле. Измерения Томсона убедили его в том, что катодные лучи представляют собой частицы, которые впоследствии были идентифицированы как электроны, и ему обычно приписывают их открытие. Рекомендуемое значение CODATA – это значение, которое CODATA называет отношением заряда электрона к его массе, однако термин «отношение» по-прежнему широко используется. Помимо методов Томсона и Даннингтона, существуют еще два распространенных способа измерения отношения заряда к массе электрона. Магнетронный метод: с помощью лампы GRD7 (клапан Ферранти) электроны испускаются из горячей вольфрамовой нити к аноду. Затем электрон отклоняется с помощью соленоида. По току в соленоиде и току в клапане Ферранти можно вычислить e/m. Метод тонкого лучевого потока: нагреватель нагревает катод, который излучает электроны. Электроны ускоряются под известным потенциалом, поэтому их скорость известна. Траекторию пучка можно увидеть, когда электроны ускоряются в газе гелия (He). Столкновения между электронами и гелием создают видимый след. Пара катушек Гельмгольца создает однородное и измеримое магнитное поле, перпендикулярное пучку электронов. Это магнитное поле отклоняет электронный луч по окружности. Измеряя ускоряющий потенциал (в вольтах), ток (в амперах) в катушках Гельмгольца и радиус электронного пучка, можно вычислить e/m.