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:
The mass to charge ratio (m/Q) is a physical quantity relating the mass (quantity of matter) and the electric charge of a given particle, expressed in units of kilograms per coulomb (kg/C). It is most widely used in the electrodynamics of charged particles, e. g. in electron optics and ion optics. It appears in the scientific fields of electron microscopy, cathode ray tubes, accelerator physics, nuclear physics, Auger electron spectroscopy, cosmology and mass spectrometry. The importance of the mass to charge ratio, according to classical electrodynamics, is that two particles with the same mass to charge ratio move in the same path in a vacuum, when subjected to the same electric and magnetic fields. Some disciplines use the charge to mass ratio (Q/m) instead, which is the multiplicative inverse of the mass to charge ratio. The CODATA recommended value for an electron is
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.