Электронный пузырь

Электронный пузырь — это пустое пространство, созданное вокруг свободного электрона в криогенном газе или жидкости, например неоне или гелии . Обычно они очень малы, около 2 нм в диаметре при атмосферном давлении.

Электронные пузырьки в гелии

При комнатной температуре электроны в благородных газах движутся свободно, ограничиваясь лишь столкновениями со слабо взаимодействующими атомами. Их подвижность , зависящая от плотности газа и температуры, хорошо описывается классической кинетической теорией . С понижением температуры подвижность электронов уменьшается, поскольку атомы гелия при более низкой температуре замедляются и не так часто взаимодействуют с электроном.

Ниже критической температуры подвижность электронов быстро падает до значения, намного ниже ожидаемого классически. Это несоответствие привело к развитию теории электронного пузыря. При низких температурах электроны, инжектированные в жидкий гелий, не движутся свободно, как можно было бы ожидать, а образуют вокруг себя небольшие вакуумные пузырьки.

Отталкивание электронов от поверхности гелия

Электроны притягиваются к жидкому гелию из-за разницы в диэлектрических проницаемостях газовой и жидкой фаз гелия. Отрицательный электрон поляризует гелий на поверхности, что приводит к образованию заряда изображения , который связывает его с поверхностью . Электрону запрещено проникать в жидкость по той же причине, по которой атомы водорода стабильны: квантовая механика . Электрон и заряд изображения образуют связанное состояние , точно так же, как электрон и протон в атоме водорода, с минимальным средним расстоянием между ними. В этом случае минимальная энергия составляет около 1 эВ (умеренное количество энергии в атомном масштабе) [3] .

Когда электрон попадает в жидкий гелий, а не плавает на его поверхности, он образует пузырь, а не попадает в жидкость. Размер этого пузырька определяется тремя основными факторами (без учета небольших поправок): фактором удержания, фактором поверхностного натяжения и фактором давления-объема. Термин удержания является чисто квантовомеханическим, поскольку всякий раз, когда электрон плотно удерживается, его кинетическая энергия возрастает. Термин поверхностного натяжения представляет собой поверхностную энергию жидкого гелия; это точно так же, как вода и все другие жидкости. Термин «давление-объем» представляет собой количество энергии, необходимое для выталкивания гелия из пузыря. [4]

$E\approx {\frac {h^{2}}{8mR^{2}}}+4\pi R^{2}\alpha +{\frac {4}{3}}\pi R^{3}P$

Здесь E — энергия пузырька, h — постоянная Планка , m — масса электрона , R — радиус пузырька, α — поверхностная энергия, а P — окружающее давление.

2S электронный пузырь

На основе анализа приведенного выше уравнения было сделано теоретическое предсказание [5] о том, что 2S-электронный пузырь демонстрирует поразительную морфологическую нестабильность в широком диапазоне внешних давлений. Хотя его волновая функция сферическая, стабильная форма пузыря несферическая.

Сноски

• 1. Г. Раманан и Гордон Р. Фриман (1990). «Подвижность электронов в газах гелия и азота низкой плотности». Журнал химической физики . 93 (5):3120. Бибкод : 1990ЖЧФ..93.3120Р . дои : 10.1063/1.459675 .
• 2. К. Г. Купер (1961). «Теория отрицательных ионов в жидком гелии». Физический обзор . 122 (4): 1007–1011. Бибкод : 1961PhRv..122.1007K . дои : 10.1103/PhysRev.122.1007 .
• 3. В.Т. Соммер (1964). «Жидкий гелий как барьер для электронов». Письма о физических отзывах . 12 (11): 271–273. Бибкод : 1964PhRvL..12..271S . дои : 10.1103/PhysRevLett.12.271 .
• 4. М. А. Вульф и Г. В. Рэйфилд (1965). «Энергия отрицательных ионов в жидком гелии за счет фотоэлектрической эмиссии». Письма о физических отзывах . 15 (6): 235. Бибкод : 1965PhRvL..15..235W . doi : 10.1103/PhysRevLett.15.235 .
• 5. П. Гринфельд и Х. Кодзима (2003). «Нестабильность 2S электронных пузырей». Письма о физических отзывах . 91 (10): 105301. Бибкод : 2003PhRvL..91j5301G . doi : 10.1103/PhysRevLett.91.105301 . ПМИД   14525485 .

Внешние ссылки

• «Квантовые пузыри – это ключ» (Пресс-релиз). Новый учёный . 25 ноября 2005 г.