Электрон

Чтобы узнать о других значениях, см. Электрон (значения) .

Электрон

водорода Орбитали атомов на разных энергетических уровнях. В более непрозрачных областях в любой момент времени наиболее вероятно найти электрон.
Состав	Элементарная частица
Статистика	фермионный
Семья	Лептон
Поколение	Первый
Взаимодействия	Слабая , электромагнитная , гравитационная
Символ	и − , б −
Античастица	Позитрон
Теоретический	Ричард Лэминг (1838–1851), Дж. Джонстон Стоуни (1874 г.) и другие.
Обнаруженный	Джей Джей Томсон (1897)
Масса	9.109 383 7139 (28) × 10 −31 кг 5.485 799 090 441 (97) × 10 −4 И [ 1 822 .888 486 209 (53) ] −1 И 0,510 998 950 69 (16)   МэВ/ c 2
Средний срок службы	> 6,6 × 10 28 годы (стабильный)
Электрический заряд	−1 и − 1.602 176 634 × 10 −19 С
Магнитный момент	−9.284 764 6917 (29) × 10 −24  J⋅T −1 −1,001 159 652 181 28 (18) µ Б
Вращаться	1/2 ​ ​   часа
Слабый изоспин	ЛХ : − 1/2 , 0 : высота правая
Слабый гиперзаряд	Левая : -1, Правая : -2

Электрон ​ (
и ⁻
, или
б ⁻
в ядерных реакциях) — субатомная частица с одним отрицательным элементарным электрическим зарядом . Электроны принадлежат к первому поколению семейства лептонных частиц. и обычно считаются элементарными частицами , поскольку у них нет известных компонентов или субструктуры. электрона Масса составляет примерно 1/1836 массы протона . Квантово-механические свойства электрона включают собственный угловой момент ( спин ) полуцелого значения, выраженный в единицах приведенной постоянной Планка , ħ . Будучи фермионами , никакие два электрона не могут занимать одно и то же квантовое состояние в соответствии с принципом Паули . Как и все элементарные частицы, электроны проявляют свойства как частиц, так и волн : они могут сталкиваться с другими частицами и преломляться, как свет. Волновые свойства электронов легче наблюдать в экспериментах, чем у других частиц, таких как нейтроны и протоны, поскольку электроны имеют меньшую массу и, следовательно, большую длину волны де Бройля для данной энергии.

Электроны играют важную роль во многих физических явлениях, таких как электричество , магнетизм , химия и теплопроводность ; они также участвуют в гравитационном , электромагнитном и слабом взаимодействиях . Поскольку электрон имеет заряд, он имеет окружающее его электрическое поле ; если этот электрон движется относительно наблюдателя, наблюдатель будет наблюдать за ним, создавая магнитное поле . Электромагнитные поля, создаваемые другими источниками, будут влиять на движение электрона в соответствии с законом силы Лоренца . Электроны излучают или поглощают энергию в виде фотонов , когда они ускоряются.

Лабораторные приборы способны захватывать отдельные электроны, а также электронную плазму с помощью электромагнитных полей. Специальные телескопы могут обнаружить электронную плазму в космическом пространстве. Электроны используются во многих приложениях, таких как трибология или фрикционная зарядка, электролиз, электрохимия, аккумуляторные технологии, электроника , сварка , электронно-лучевые трубки , фотоэлектричество, фотоэлектрические солнечные панели, электронные микроскопы , лучевая терапия , лазеры , детекторы газовой ионизации и частицы. ускорители .

Взаимодействия электронов с другими субатомными частицами представляют интерес в таких областях, как химия и ядерная физика . Кулоновское силовое взаимодействие между положительными протонами внутри атомных ядер и отрицательными электронами снаружи позволяет образовать два элемента, известные как атомы . Ионизация или различия в пропорциях отрицательных электронов по сравнению с положительными ядрами изменяют энергию связи атомной системы. Обмен или разделение электронов между двумя или более атомами является основной причиной химической связи .

В 1838 году британский натурфилософ Ричард Лэминг впервые выдвинул гипотезу о неделимом количестве электрического заряда для объяснения химических свойств атомов. Ирландский физик Джордж Джонстон Стоуни в 1891 году назвал этот заряд «электроном», а Дж. Дж. Томсон и его группа британских физиков идентифицировали его как частицу в 1897 году во время эксперимента с электронно-лучевой трубкой .

Электроны участвуют в ядерных реакциях , таких как нуклеосинтез в звездах , где они известны как бета-частицы . Электроны могут создаваться в результате бета-распада радиоактивных изотопов и при высокоэнергетических столкновениях, например, при попадании космических лучей в атмосферу. Античастица позитроном электрона ; называется он идентичен электрону, за исключением того, что несет электрический заряд противоположного знака. Когда электрон сталкивается с позитроном , обе частицы могут аннигилировать , производя гамма-излучения фотоны .

История

Смотрите также: История электромагнетизма

Открытие действия электрической силы

Древние греки заметили, что янтарь притягивает мелкие предметы, если его потереть о мех. Наряду с молнией , это явление является одним из самых ранних зарегистрированных случаев взаимодействия человечества с электричеством . В своем трактате «О магнете» 1600 года английский ученый Уильям Гилберт ввел неолатинский термин «электрика » для обозначения веществ, обладающих свойствами, подобными свойствам янтаря, которые притягивают мелкие предметы после трения. И электричество , и электричество произошли от латинского слова ēlectrum (также корня одноименного сплава ), которое произошло от греческого слова, обозначающего янтарь, ἤλεκτρον ( Электрон ).

Обнаружение двух видов обвинений

В начале 1700-х годов французский химик Шарль Франсуа дю Фэй обнаружил, что если заряженный сусальное золото отталкивается стеклом, натертым на шелк, то тот же заряженный сусальное золото притягивается янтарем, натертым на шерсть. На основании этого и других результатов подобных экспериментов Дюфе пришел к выводу, что электричество состоит из двух электрических жидкостей : стекловидной жидкости из стекла, натертого шелком, и смолистой жидкости из янтаря, натертого шерстью. Эти две жидкости могут нейтрализовать друг друга при объединении. Американский ученый Эбенезер Кинерсли позже также независимо пришел к такому же выводу. Десять лет спустя Бенджамин Франклин предположил, что электричество происходит не из разных типов электрической жидкости, а из одной электрической жидкости, показывающей избыток (+) или дефицит (-). Он дал им современную номенклатуру зарядов : положительных и отрицательных соответственно. Франклин считал носитель заряда положительным, но он неправильно определил, какая ситуация является избытком носителя заряда, а какая — его дефицитом.

Между 1838 и 1851 годами британский натурфилософ Ричард Лэминг разработал идею о том, что атом состоит из ядра материи, окруженного субатомными частицами, имеющими единичные электрические заряды . Начиная с 1846 года немецкий физик Вильгельм Эдуард Вебер выдвинул теорию, что электричество состоит из положительно и отрицательно заряженных жидкостей, а их взаимодействие регулируется законом обратных квадратов . Изучив явление электролиза в 1874 году, ирландский физик Джордж Джонстон Стоуни предположил, что существует «единственное определенное количество электричества», заряд одновалентного иона . Он смог оценить величину этого элементарного заряда е с помощью законов электролиза Фарадея . Однако Стоуни считал, что эти заряды навсегда прикреплены к атомам и не могут быть удалены. В 1881 году немецкий физик Герман фон Гельмгольц утверждал, что как положительные, так и отрицательные заряды разделены на элементарные части, каждая из которых «ведёт себя как атомы электричества».

Первоначально Стоуни ввел термин «электрион» в 1881 году. Десять лет спустя он переключился на электрон для описания этих элементарных зарядов, написав в 1894 году: «... была сделана оценка фактического количества этой самой замечательной фундаментальной единицы электричества, для которой С тех пор я рискнул предложить название « электрон ». Предложение 1906 года перейти на электрон провалилось, поскольку Хендрик Лоренц предпочел сохранить электрон . Слово «электрон» представляет собой комбинацию слов «электрик » и «i on» . Суффикс «-» , который сейчас используется для обозначения других субатомных частиц, таких как протон или нейтрон, в свою очередь, происходит от слова «электрон».

Открытие свободных электронов вне материи

Пучок электронов, отклоненный магнитным полем по окружности

Изучая электропроводность разреженных газов в 1859 году, немецкий физик Юлиус Плюкер заметил, что излучение, испускаемое катодом, вызывает появление фосфоресцирующего света на стенке трубки возле катода; и область фосфоресцирующего света можно было перемещать с помощью магнитного поля. В 1869 году ученик Плюкера Иоганн Вильгельм Хитторф обнаружил, что твердое тело, помещенное между катодом и фосфоресцентным источником, отбрасывает тень на фосфоресцирующую область трубки. Хитторф пришел к выводу, что катод испускает прямые лучи и что фосфоресценция вызвана лучами, падающими на стенки трубки. В 1876 году немецкий физик Ойген Гольдштейн показал, что лучи испускаются перпендикулярно поверхности катода, что отличало лучи, испускаемые катодом, от света лампы накаливания. Гольдштейн назвал эти лучи катодными лучами . Десятилетия экспериментальных и теоретических исследований катодных лучей сыграли важную роль в Дж. Дж. Томсоном . конечном открытии электронов

В 1870-х годах английский химик и физик сэр Уильям Крукс разработал первую электронно-лучевую трубку с высоким вакуумом внутри. Затем в 1874 году он показал, что катодные лучи могут вращать небольшое лопастное колесо, если поставить его на их пути. Поэтому он пришел к выводу, что лучи несут импульс. Более того, приложив магнитное поле, он смог отклонить лучи, продемонстрировав тем самым, что луч вел себя так, как если бы он был заряжен отрицательно. В 1879 году он предположил, что эти свойства можно объяснить, рассматривая катодные лучи как состоящие из отрицательно заряженных газообразных молекул в четвертом состоянии вещества, в котором средняя длина свободного пробега частиц настолько велика, что столкновениями можно пренебречь.

Британский физик немецкого происхождения Артур Шустер расширил эксперименты Крукса, разместив металлические пластины параллельно катодным лучам и подав электрический потенциал между пластинами. Поле отклоняло лучи к положительно заряженной пластине, что еще раз доказывало, что лучи несут отрицательный заряд. Измеряя величину отклонения для данного электрического и магнитного поля , в 1890 году Шустер смог оценить отношение заряда к массе. лучевых компонент. Однако в результате получилось значение, которое более чем в тысячу раз превышало ожидаемое, поэтому его расчетам в то время не доверяли. Это связано с тем, что предполагалось, что носителями заряда являются гораздо более тяжелые атомы водорода или азота . Оценки Шустера впоследствии оказались во многом верными.

В 1892 году Хендрик Лоренц предположил, что масса этих частиц (электронов) может быть следствием их электрического заряда.

Джей Джей Томсон

Изучая естественно флуоресцирующие минералы в 1896 году, французский физик Анри Беккерель обнаружил, что они излучают излучение без какого-либо воздействия внешнего источника энергии. Эти радиоактивные материалы стали предметом большого интереса учёных, в том числе новозеландского физика Эрнеста Резерфорда, который обнаружил, что они испускают частицы. Он назвал эти частицы альфа и бета , исходя из их способности проникать в материю. В 1900 году Беккерель показал, что бета-лучи, испускаемые радием, могут отклоняться электрическим полем и что отношение их массы к заряду такое же, как и у катодных лучей. Это свидетельство укрепило мнение о том, что электроны существуют как компоненты атомов.

В 1897 году британский физик Дж. Дж. Томсон вместе со своими коллегами Джоном С. Таунсендом и Х. А. Уилсоном провел эксперименты, показавшие, что катодные лучи являются уникальными частицами, а не волнами, атомами или молекулами, как считалось ранее. К 1899 году Томсон продемонстрировал, что отношение заряда к массе ( e / m ) этих частиц не зависит от материала катода, из которого они были индуцированы. Далее он показал, что отрицательно заряженные частицы, производимые радиоактивными материалами, нагретыми материалами и освещенными материалами, универсальны. Томсон измерил отношение заряда к массе ( m / e ) для катодно-лучевых «корпускул» и сделал хорошие оценки заряда e , что привело к значению массы m , обнаружив значение, в 1400 раз менее массивное, чем наименее массивное. известный ион: водород. В том же году Эмиль Вихерт и Вальтер Кауфман также рассчитали отношение e / m, но не предприняли шаг к интерпретации своих результатов как свидетельствующих о появлении новой частицы, в то время как Дж. Дж. Томсон впоследствии, в 1899 году, также дал оценки заряда и массы электрона: е ~ 6,8 × 10 ⁻¹⁰  есу и м ~ 3 × 10 ⁻²⁶ г

Роберт Милликен

Название «электрон» было принято для этих частиц научным сообществом, главным образом благодаря поддержке Г.Ф. Фитцджеральда , Дж. Лармора и Х.А. Лоренца . Этот термин был первоначально придуман Джорджем Джонстоном Стоуни в 1891 году как предварительное название основной единицы электрического заряда (которая тогда еще не была открыта).

Заряд электрона был более тщательно измерен американскими физиками Робертом Милликеном и Харви Флетчером в их эксперименте с каплей масла в 1909 году, результаты которого были опубликованы в 1911 году. В этом эксперименте использовалось электрическое поле, чтобы предотвратить падение заряженной капли масла. результат гравитации. Это устройство могло измерять электрический заряд всего от 1 до 150 ионов с погрешностью менее 0,3%. Сопоставимые эксперименты ранее были проведены командой Томсона. с использованием облаков заряженных капель воды, образующихся в результате электролиза, а в 1911 году — Абрама Иоффе , который независимо получил тот же результат, что и Милликен, с использованием заряженных микрочастиц металлов, а затем опубликовал свои результаты в 1913 году. Однако капли масла были более стабильными, чем капли воды, из-за более медленной скорости испарения и, следовательно, больше подходили для точных экспериментов в течение более длительных периодов времени.

Примерно в начале ХХ века было обнаружено, что при определенных условиях быстро движущаяся заряженная частица вызывает конденсацию пересыщенного на своем пути водяного пара. В 1911 году Чарльз Уилсон использовал этот принцип при разработке своей камеры Вильсона , позволяющей фотографировать следы заряженных частиц, таких как быстродвижущиеся электроны.

Атомная теория

Модель атома Бора , показывающая состояния электрона с энергией, квантованной числом n . Электрон, попадающий на более низкую орбиту, испускает фотон, равный разности энергий между орбитами.

К 1914 году эксперименты физиков Эрнеста Резерфорда , Генри Мозли , Джеймса Франка и Густава Герца в значительной степени установили структуру атома как плотного ядра с положительным зарядом, окруженного электронами меньшей массы. В 1913 году датский физик Нильс Бор постулировал, что электроны находятся в квантованных энергетических состояниях, а их энергия определяется угловым моментом орбиты электрона вокруг ядра. Электроны могли перемещаться между этими состояниями или орбитами путем испускания или поглощения фотонов определенных частот. С помощью этих квантованных орбит он точно объяснил спектральные линии атома водорода. Однако модель Бора не смогла объяснить относительную интенсивность спектральных линий и не смогла объяснить спектры более сложных атомов.

Химические связи между атомами были объяснены Гилбертом Ньютоном Льюисом , который в 1916 году предположил, что ковалентная связь между двумя атомами поддерживается парой общих между ними электронов. Позже, в 1927 году, Уолтер Гейтлер и Фриц Лондон дали полное объяснение образования электронных пар и химической связи с точки зрения квантовой механики . В 1919 году американский химик Ирвинг Ленгмюр разработал статическую модель атома Льюиса и предположил, что все электроны распределены в последовательных «концентрических (почти) сферических оболочках одинаковой толщины». В свою очередь он разделил оболочки на ряд ячеек, каждая из которых содержала одну пару электронов. С помощью этой модели Ленгмюр смог качественно объяснить химические свойства всех элементов таблицы Менделеева. которые, как известно, в значительной степени повторялись в соответствии с периодическим законом .

В 1924 году австрийский физик Вольфганг Паули заметил, что оболочечную структуру атома можно объяснить набором из четырех параметров, которые определяют каждое квантовое энергетическое состояние, при условии, что каждое состояние занято не более чем одним электроном. Этот запрет на то, чтобы более чем один электрон занимал одно и то же квантовое энергетическое состояние, стал известен как принцип запрета Паули . Физический механизм для объяснения четвертого параметра, который имел два различных возможных значения, был предложен голландскими физиками Сэмюэлем Гаудсмитом и Джорджем Уленбеком . В 1925 году они предположили, что электрон, помимо момента импульса своей орбиты, обладает собственным моментом импульса и магнитным дипольным моментом . Это аналогично вращению Земли вокруг своей оси при движении вокруг Солнца. Собственный угловой момент стал известен как спин высокого разрешения и объяснил ранее загадочное расщепление спектральных линий, наблюдаемое с помощью спектрографа ; это явление известно как расщепление тонкой структуры .

Квантовая механика

Смотрите также: История квантовой механики.

Дополнительная информация: § Квантовые свойства.

В своей диссертации 1924 года «Исследование квантовой теории» французский физик Луи де Бройль выдвинул гипотезу, что вся материя может быть представлена ​​как волна де Бройля в виде света . То есть при соответствующих условиях электроны и другая материя проявляли бы свойства либо частиц, либо волн. Корпускулярные свойства частицы демонстрируются, когда показано, что она имеет локализованное положение в пространстве вдоль своей траектории в любой данный момент. Волнообразная природа света проявляется, например, когда луч света проходит через параллельные щели, создавая тем самым интерференционные картины. В 1927 году Джордж Пэджет Томсон и Александр Рид обнаружили, что эффект интерференции возникает, когда пучок электронов проходит через тонкую целлулоидную фольгу, а затем и металлические пленки, а американские физики Клинтон Дэвиссон и Лестер Гермер - в результате отражения электронов от кристалла никеля. . Александр Рид, аспирант Томсона, провел первые эксперименты, но вскоре погиб в аварии на мотоцикле. и упоминается редко.

В квантовой механике поведение электрона в атоме описывается орбиталью , которая представляет собой распределение вероятностей, а не орбиту. На рисунке штриховка указывает на относительную вероятность «найти» в этой точке электрон, имеющий энергию, соответствующую заданным квантовым числам .

Предсказание де Бройля волновой природы электронов привело Эрвина Шрёдингера к постулированию волнового уравнения для электронов, движущихся под действием ядра атома. В 1926 году это уравнение, уравнение Шрёдингера , успешно описало, как распространяются электронные волны. Вместо того, чтобы давать решение, определяющее местоположение электрона с течением времени, это волновое уравнение также можно использовать для прогнозирования вероятности обнаружения электрона вблизи положения, особенно положения рядом с местом, где электрон был связан в пространстве, для которого электрон волновые уравнения не меняются со временем. Этот подход привел ко второй формулировке квантовой механики (первая была предложена Гейзенбергом в 1925 году), а решения уравнения Шредингера, как и уравнение Гейзенберга, обеспечили выводы энергетических состояний электрона в атоме водорода, которые были эквивалентны тем, которые были получены впервые Бором в 1913 году, и было известно, что они воспроизводят спектр водорода. Когда спин и взаимодействие между несколькими электронами стали поддаются описанию, квантовая механика позволила предсказать конфигурацию электронов в атомах с атомными номерами, большими, чем у водорода.

В 1928 году, основываясь на работе Вольфганга Паули, Поль Дирак создал модель электрона – уравнение Дирака , согласующееся с теорией относительности , применив соображения релятивизма и симметрии к гамильтоновой формулировке квантовой механики электромагнитного поля. Чтобы решить некоторые проблемы в своем релятивистском уравнении, Дирак в 1930 году разработал модель вакуума как бесконечного моря частиц с отрицательной энергией, позже названного морем Дирака . Это привело его к предсказанию существования позитрона, антивещества . аналога электрона из Эта частица была открыта в 1932 году Карлом Андерсоном , который предложил называть стандартные электроны негатронами и использовать электрон в качестве общего термина для описания как положительно, так и отрицательно заряженных вариантов.

В 1947 году Уиллис Лэмб , работая в сотрудничестве с аспирантом Робертом Ретерфордом , обнаружил, что определенные квантовые состояния атома водорода, которые должны иметь одинаковую энергию, сдвинуты по отношению друг к другу; Эту разницу стали называть сдвигом Лэмба . Примерно в то же время Поликарп Куш , работая с Генри М. Фоли , обнаружил, что магнитный момент электрона немного больше, чем предсказывает теория Дирака. Эту небольшую разницу позже назвали аномальным магнитным дипольным моментом электрона. Это различие позже было объяснено теорией квантовой электродинамики , разработанной Син-Итиро Томонагой , Джулианом Швингером и Ричард Фейнман в конце 1940-х годов.

Ускорители частиц

С разработкой ускорителя частиц в первой половине двадцатого века физики начали глубже вникать в свойства субатомных частиц . Первую успешную попытку ускорить электроны с помощью электромагнитной индукции предпринял в 1942 году Дональд Керст . Его первоначальный бетатрон достиг энергии 2,3 МэВ, а последующие бетатроны достигли 300 МэВ. В 1947 году синхротронное излучение было обнаружено с помощью электронного синхротрона с энергией 70 МэВ в компании General Electric . Это излучение было вызвано ускорением электронов в магнитном поле, когда они двигались со скоростью, близкой к скорости света.

При энергии пучка 1,5 ГэВ появился первый высокоэнергетический частиц Коллайдером был ADONE , который начал работу в 1968 году. Это устройство ускоряло электроны и позитроны в противоположных направлениях, эффективно удваивая энергию их столкновения по сравнению с ударом электрона по статической мишени. Большой электрон-позитронный коллайдер (LEP) в ЦЕРНе , который работал с 1989 по 2000 год, достиг энергии столкновения 209 ГэВ и провел важные измерения для Стандартной модели физики элементарных частиц.

отдельных

Отдельные электроны теперь можно легко удерживать в сверхмалых ( L = 20 нм , W = 20 нм ) КМОП-транзисторах, работающих при криогенной температуре в диапазоне от -269 °C (4 К ) до примерно -258 °C (15 К ). Волновая функция электрона распространяется в решетке полупроводника и незначительно взаимодействует с электронами валентной зоны, поэтому ее можно рассматривать в одночастичном формализме, заменяя ее массу тензором эффективной массы .

Характеристики

Классификация

Стандартная модель элементарных частиц. Электрон (символ е) находится слева.

В Стандартной модели физики элементарных частиц электроны принадлежат к группе субатомных частиц, называемых лептонами , которые считаются фундаментальными или элементарными частицами . Электроны имеют наименьшую массу среди всех заряженных лептонов (или электрически заряженных частиц любого типа) и принадлежат к первому поколению фундаментальных частиц. Второе и третье поколение содержат заряженные лептоны, мюон и тау , которые идентичны электрону по заряду, спину и взаимодействиям , но более массивны. Лептоны отличаются от другого основного компонента материи, кварков , отсутствием сильного взаимодействия . Все члены лептонной группы являются фермионами, поскольку все они имеют полунечетный целочисленный спин; электрон имеет спин 1 / 2 .

Фундаментальные свойства

Инвариантная масса электрона составляет примерно 9,109 × 10 ⁻³¹ кг , или 5,489 × 10 ⁻⁴  Да . Из-за эквивалентности массы и энергии это соответствует энергии покоя 0,511 МэВ (8,19 × 10 ⁻¹⁴ Дж) . Отношение массы протона к массе электрона составляет около 1836. Астрономические измерения показывают, что соотношение масс протонов и электронов сохраняло то же значение, что и предсказывает Стандартная модель, по крайней мере на протяжении половины возраста Вселенной .

Электроны имеют электрический заряд -1,602 . 176 634 × 10 ⁻¹⁹ кулоны , который используется в качестве стандартной единицы заряда для субатомных частиц и также называется элементарным зарядом . В пределах точности эксперимента заряд электрона идентичен заряду протона, но с противоположным знаком. Электрон обычно обозначается
и ⁻
, а позитрон обозначается
и ⁺
.

Электрон имеет собственный угловой момент или спин ч / 2 . Это свойство обычно выражают, называя электрон спин- 1/2 ​ частица . Для таких частиц величина спина равна ч / 2 , тогда как результат измерения проекции спина на любую ось может быть только ± х / 2 . Помимо спина, электрон обладает собственным магнитным моментом вдоль оси вращения. Он примерно равен одному магнетону Бора , это физическая константа, равная 9,274 010 0657 (29) × 10 ⁻²⁴  J⋅T ⁻¹ . Ориентация спина относительно импульса электрона определяет свойство элементарных частиц, известное как спиральность .

Электрон не имеет известной субструктуры . Тем не менее, в физике конденсированного состояния в некоторых материалах разделение спина и заряда может происходить . В таких случаях электроны «расщепляются» на три независимые частицы: спинон , орбитон и холон (или чаргон). Теоретически электрон всегда можно рассматривать как связанное состояние из трех: спинон несет спин электрона, орбитон несет орбитальную степень свободы, а чаргон несет заряд, но в определенных условиях они могут вести себя как независимые квазичастицы. .

Вопрос о радиусе электрона является актуальной проблемой современной теоретической физики. Допущение гипотезы конечного радиуса электрона несовместимо с предпосылками теории относительности. С другой стороны, точечный электрон (нулевой радиус) порождает серьезные математические трудности из-за стремления собственной энергии электрона к бесконечности. Наблюдение одиночного электрона в ловушке Пеннинга позволяет предположить, что верхний предел радиуса частицы равен 10. ⁻²² метры. Верхняя граница радиуса электрона 10 ⁻¹⁸ метры может быть получена с использованием соотношения неопределенностей в энергии. Существует классическим также физическая константа, называемая « радиусом электрона », с гораздо большим значением 2,8179 × 10. ⁻¹⁵ м , больше радиуса протона. Однако эта терминология возникла из упрощенных вычислений, игнорирующих эффекты квантовой механики ; на самом деле так называемый классический радиус электрона не имеет ничего общего с истинной фундаментальной структурой электрона.

Существуют элементарные частицы , которые самопроизвольно распадаются на менее массивные частицы. Примером может служить мюон со средним временем жизни 2,2 × 10 ⁻⁶ секунд, который распадается на электрон, мюонное нейтрино и электронное антинейтрино . С другой стороны, электрон считается стабильным на теоретических основаниях: электрон — наименее массивная частица с ненулевым электрическим зарядом, поэтому его распад нарушил бы сохранение заряда . Экспериментальная нижняя граница среднего времени жизни электрона составляет 6,6 × 10 ²⁸ лет, при доверительном уровне 90% .

Квантовые свойства

Как и все частицы, электроны могут действовать как волны. Это называется корпускулярно-волновым дуализмом и может быть продемонстрировано с помощью эксперимента с двумя щелями .

Волновая природа электрона позволяет ему проходить через две параллельные щели одновременно, а не через одну, как в случае классической частицы. В квантовой механике волновое свойство одной частицы может быть описано математически как комплексная функция, волновая функция , обычно обозначаемая греческой буквой psi ( ψ ). Когда абсолютное значение этой функции возводится в квадрат , это дает вероятность того, что частица будет наблюдаться вблизи определенного местоположения — плотность вероятности .

Пример антисимметричной волновой функции для квантового состояния двух одинаковых фермионов в одномерном ящике , где каждая горизонтальная ось соответствует положению одной частицы. Если частицы поменяются местами, волновая функция меняет знак.

Электроны являются идентичными частицами , поскольку их нельзя отличить друг от друга по своим внутренним физическим свойствам. В квантовой механике это означает, что пара взаимодействующих электронов должна иметь возможность меняться местами без заметного изменения состояния системы. Волновая функция фермионов, включая электроны, антисимметрична, то есть меняет знак при замене двух электронов; то есть ψ ( r ₁ , r ₂ ) = − ψ ( r ₂ , r ₁ ) , где переменные r ₁ и r ₂ соответствуют первому и второму электронам соответственно. Поскольку абсолютное значение не меняется при смене знаков, это соответствует равным вероятностям. Вместо этого бозоны , такие как фотон, имеют симметричные волновые функции.

В случае антисимметрии решения волнового уравнения для взаимодействующих электронов приводят к нулевой вероятности того, что каждая пара займет одно и то же место или состояние. Это отвечает за принцип Паули , который не позволяет любым двум электронам занимать одно и то же квантовое состояние. Этот принцип объясняет многие свойства электронов. Например, это заставляет группы связанных электронов занимать разные орбитали в атоме, а не перекрывать друг друга на одной орбите.

Виртуальные частицы

Основная статья: Виртуальная частица

В упрощенной картине, которая часто дает неправильное представление, но может служить для иллюстрации некоторых аспектов, каждый фотон некоторое время проводит в виде комбинации виртуального электрона и его античастицы, виртуального позитрона, которые вскоре после этого быстро аннигилируют друг друга. Комбинация изменения энергии, необходимой для создания этих частиц, и времени, в течение которого они существуют, подпадают под порог обнаруживаемости, выраженный соотношением неопределенности Гейзенберга , Δ E · Δ t ≥ ħ . Фактически, энергия, необходимая для создания этих виртуальных частиц, Δ E , может быть «позаимствована» у вакуума на период времени Δ t , так что их произведение будет не больше приведенной Планка постоянной ħ ≈ 6,6 × 10. ⁻¹⁶ эВ·с . Таким образом, для виртуального электрона Δt не превышает 1,3 × 10 ⁻²¹ с .

Схематическое изображение виртуальных электрон-позитронных пар, случайно появляющихся рядом с электроном (внизу слева).

Пока существует виртуальная пара электрон-позитрон, кулоновская сила окружающего электрического поля , окружающего электрон, заставляет созданный позитрон притягиваться к исходному электрону, в то время как созданный электрон испытывает отталкивание. Это вызывает то, что называется поляризацией вакуума . По сути, вакуум ведет себя как среда, диэлектрическая проницаемость которой больше единицы . Таким образом, эффективный заряд электрона на самом деле меньше его истинного значения, и заряд уменьшается с увеличением расстояния от электрона. Эта поляризация была подтверждена экспериментально в 1997 году с использованием японского ускорителя частиц TRISTAN . Виртуальные частицы вызывают сравнимый эффект экранирования массы электрона.

Взаимодействием с виртуальными частицами объясняется также небольшое (около 0,1%) отклонение собственного магнитного момента электрона от магнетона Бора ( аномальный магнитный момент ). Чрезвычайно точное совпадение этой предсказанной разницы с экспериментально определенной величиной рассматривается как одно из величайших достижений квантовой электродинамики .

Кажущийся парадокс в классической физике точечной частицы электрона, имеющей собственный угловой момент и магнитный момент, можно объяснить образованием виртуальных фотонов в электрическом поле, генерируемом электроном. Эти фотоны можно эвристически рассматривать как заставляющие электрон колебаться (известное как zitterbewegung ), что приводит к чистому круговому движению с прецессией . Это движение создает как спин, так и магнитный момент электрона. В атомах создание виртуальных фотонов объясняет лэмбовский сдвиг, наблюдаемый в спектральных линиях . Длина волны Комптона показывает, что вблизи элементарных частиц, таких как электрон, неопределенность энергии позволяет создавать виртуальные частицы рядом с электроном. Эта длина волны объясняет «статику» виртуальных частиц вокруг элементарных частиц на близком расстоянии.

Взаимодействие

Электрон создает электрическое поле, которое оказывает силу притяжения на частицу с положительным зарядом, например протон, и силу отталкивания на частицу с отрицательным зарядом. Величина этой силы в нерелятивистском приближении определяется законом обратных квадратов Кулона . Когда электрон движется, он создает магнитное поле . Закон Ампера -Максвелла связывает магнитное поле с массовым движением электронов ( током ) относительно наблюдателя. Это свойство индукции создает магнитное поле, которое приводит в движение электродвигатель . Электромагнитное поле произвольно движущейся заряженной частицы выражается потенциалами Льенара-Вихерта , которые действительны даже тогда, когда скорость частицы близка к скорости света ( релятивистская ).

Частица с зарядом q (слева) движется со скоростью v через магнитное поле B , ориентированное на зрителя. Для электрона q отрицательно, поэтому он следует по изогнутой траектории вверх.

Когда электрон движется через магнитное поле, на него действует сила Лоренца , которая действует перпендикулярно плоскости, определяемой магнитным полем и скоростью электрона. Эта центростремительная сила заставляет электрон следовать по винтовой траектории через поле с радиусом, называемым гирорадиусом . Ускорение от этого искривленного движения заставляет электрон излучать энергию в виде синхротронного излучения. Выделение энергии, в свою очередь, вызывает отдачу электрона, известную как сила Абрахама-Лоренца-Дирака , которая создает трение, замедляющее электрон. Эта сила вызвана обратной реакцией собственного поля электрона на самого себя.

Здесь тормозное излучение создается электроном e, отклоняемым электрическим полем атомного ядра. Изменение энергии E ₂ − E ₁ определяет частоту f излучаемого фотона.

Фотоны опосредуют электромагнитные взаимодействия между частицами в квантовой электродинамике . Изолированный электрон с постоянной скоростью не может испустить или поглотить реальный фотон; это нарушит закон сохранения энергии и импульса . Вместо этого виртуальные фотоны могут передавать импульс между двумя заряженными частицами. Например, этот обмен виртуальными фотонами порождает силу Кулона. Выделение энергии может произойти, когда движущийся электрон отклоняется заряженной частицей, например протоном. Замедление электрона приводит к испусканию тормозного излучения.

Неупругое столкновение фотона (света) и одиночного (свободного) электрона называется комптоновским рассеянием . Это столкновение приводит к передаче импульса и энергии между частицами, что изменяет длину волны фотона на величину, называемую комптоновским сдвигом . Максимальная величина этого сдвига длины волны равна , которая известна _h/mec . длина волны Комптона как Для электрона он имеет значение 2,43 × 10 ⁻¹² м . Когда длина волны света большая (например, длина волны видимого света составляет 0,4–0,7 мкм), сдвиг длины волны становится незначительным. Такое взаимодействие между светом и свободными электронами называется томсоновским рассеянием или линейным томсоновским рассеянием.

Относительная сила электромагнитного взаимодействия между двумя заряженными частицами, такими как электрон и протон, определяется постоянной тонкой структуры . Эта величина представляет собой безразмерную величину, образованную соотношением двух энергий: электростатической энергии притяжения (или отталкивания) на расстоянии одной комптоновской длины волны и энергии покоя заряда. Оно определяется α ≈ 0,007 297 353 , что примерно равно 1 / 137 .

Когда электроны и позитроны сталкиваются, они аннигилируют друг друга, порождая два или более фотонов гамма-излучения. Если электрон и позитрон имеют незначительный импульс, атом позитрония может образоваться до того, как аннигиляция приведет к образованию двух или трех фотонов гамма-излучения общей энергией 1,022 МэВ. С другой стороны, фотон высокой энергии может превратиться в электрон и позитрон посредством процесса, называемого образованием пар , но только в присутствии близлежащей заряженной частицы, такой как ядро.

В теории электрослабого взаимодействия левая компонента волновой функции электрона образует слабый изоспиновый дублет с электронным нейтрино . Это означает, что при слабых взаимодействиях электронные нейтрино ведут себя как электроны. Любой член этого дублета может подвергаться взаимодействию с заряженным током , излучая или поглощая
В
и быть преобразованным в другого члена. Заряд сохраняется во время этой реакции, поскольку W-бозон также несет заряд, компенсируя любые чистые изменения во время трансмутации. Взаимодействия заряженных токов ответственны за явление бета-распада в радиоактивном атоме. И электрон, и электронное нейтрино могут подвергаться взаимодействию с нейтральным током через
С ⁰
нейтрино на электроне обмен, и это ответственно за упругое рассеяние .

Атомы и молекулы

Основная статья: Атом

Плотности вероятности для первых нескольких орбиталей атома водорода, видимые в поперечном сечении. Энергетический уровень связанного электрона определяет занимаемую им орбиталь, а цвет отражает вероятность найти электрон в заданной позиции.

Электрон может быть связан с ядром атома силой притяжения Кулона. Система одного или нескольких электронов, связанных с ядром, называется атомом. Если число электронов отличается от электрического заряда ядра, такой атом называется ионом . Волновое поведение связанного электрона описывается функцией, называемой атомной орбиталью . Каждая орбиталь имеет свой собственный набор квантовых чисел, таких как энергия, угловой момент и проекция углового момента, и вокруг ядра существует только дискретный набор этих орбиталей. Согласно принципу Паули, каждая орбиталь может быть занята максимум двумя электронами, которые должны различаться спиновым квантовым числом .

Электроны могут перемещаться между разными орбиталями путем испускания или поглощения фотонов с энергией, соответствующей разнице потенциалов. Другие методы орбитального перехода включают столкновения с частицами, например электронами, и эффект Оже . Чтобы покинуть атом, энергия электрона должна быть увеличена выше его энергии связи с атомом. Это происходит, например, при фотоэлектрическом эффекте атома, , когда падающий фотон, превышающий энергию ионизации поглощается электроном.

Орбитальный угловой момент электронов квантуется . Поскольку электрон заряжен, он создает орбитальный магнитный момент, пропорциональный угловому моменту. Чистый магнитный момент атома равен векторной сумме орбитальных и спиновых магнитных моментов всех электронов и ядра. Магнитный момент ядра ничтожен по сравнению с магнитным моментом электронов. Магнитные моменты электронов, занимающих одну и ту же орбиталь, называемых спаренными электронами, нейтрализуют друг друга.

Химическая связь между атомами возникает в результате электромагнитных взаимодействий, описываемых законами квантовой механики. Самые прочные связи образуются при совместном использовании или передаче электронов между атомами, что позволяет образовывать молекулы . Внутри молекулы электроны движутся под действием нескольких ядер и занимают молекулярные орбитали ; настолько, насколько они могут занимать атомные орбитали в изолированных атомах. Фундаментальным фактором в этих молекулярных структурах является существование электронных пар . Это электроны с противоположными спинами, что позволяет им занимать одну и ту же молекулярную орбиталь, не нарушая при этом принцип Паули (так же, как в атомах). Различные молекулярные орбитали имеют различное пространственное распределение электронной плотности. Например, в связанных парах (т. е. в парах, которые фактически связывают атомы друг с другом) электроны с максимальной вероятностью могут находиться в относительно небольшом объеме между ядрами. Напротив, в несвязанных парах электроны распределены в большом объеме вокруг ядер.

Проводимость

Разряд молнии состоит в основном из потока электронов. Электрический потенциал, необходимый для возникновения молнии, может быть создан за счет трибоэлектрического эффекта.

Если в теле больше или меньше электронов, чем требуется для баланса положительного заряда ядер, то этот объект имеет чистый электрический заряд. Когда имеется избыток электронов, говорят, что объект заряжен отрицательно. Когда электронов в ядре меньше, чем протонов, говорят, что объект заряжен положительно. Когда количество электронов и количество протонов равны, их заряды компенсируют друг друга, и объект считается электрически нейтральным. Макроскопическое тело может развивать электрический заряд за счет трения за счет трибоэлектрического эффекта .

Независимые электроны, движущиеся в вакууме, называются свободными электронами. Электроны в металлах также ведут себя так, как если бы они были свободными. На самом деле частицы, которые в металлах и других твердых телах обычно называют электронами, представляют собой квазиэлектроны — квазичастицы , которые имеют тот же электрический заряд, спин и магнитный момент, что и реальные электроны, но могут иметь другую массу. Когда свободные электроны — как в вакууме, так и в металлах — движутся, они создают чистый поток заряда, называемый электрическим током , который генерирует магнитное поле. Точно так же ток может быть создан изменяющимся магнитным полем. Эти взаимодействия математически описываются уравнениями Максвелла .

При данной температуре каждый материал обладает электропроводностью , определяющей величину электрического тока при электрического потенциала приложении . Примерами хороших проводников являются такие металлы, как медь и золото, тогда как стекло и тефлон являются плохими проводниками. В любом диэлектрическом материале электроны остаются связанными с соответствующими атомами, и материал ведет себя как изолятор . Большинство полупроводников имеют переменный уровень проводимости, который находится между крайними значениями проводимости и изоляции. С другой стороны, металлы имеют электронную зонную структуру , содержащую частично заполненные электронные зоны. Наличие таких полос позволяет электронам в металлах вести себя так, как если бы они были свободными или делокализованными электронами . Эти электроны не связаны с конкретными атомами, поэтому при приложении электрического поля они могут свободно двигаться, как газ (так называемый ферми-газ ). через материал, как свободные электроны.

Из-за столкновений между электронами и атомами скорость дрейфа электронов в проводнике составляет порядка миллиметров в секунду. Однако скорость, с которой изменение тока в одной точке материала вызывает изменения токов в других частях материала, скорость распространения , обычно составляет около 75% скорости света. Это происходит потому, что электрические сигналы распространяются как волна, скорость которой зависит от диэлектрической проницаемости материала.

Металлы являются относительно хорошими проводниками тепла, прежде всего потому, что делокализованные электроны могут свободно переносить тепловую энергию между атомами. Однако в отличие от электропроводности теплопроводность металла практически не зависит от температуры. Математически это выражается законом Видемана-Франца : который гласит, что отношение теплопроводности к электропроводности пропорционально температуре. Термический беспорядок в металлической решетке увеличивает удельное электросопротивление материала , вызывая температурную зависимость электрического тока.

При охлаждении ниже точки, называемой критической температурой , материалы могут подвергаться фазовому переходу, при котором они теряют все сопротивление электрическому току, в процессе, известном как сверхпроводимость . В теории БКШ пары электронов, называемые куперовскими парами, связаны своим движением с близлежащим веществом посредством колебаний решетки, называемых фононами , тем самым избегая столкновений с атомами, которые обычно создают электрическое сопротивление. (Куперовские пары имеют радиус примерно 100 нм, поэтому они могут перекрывать друг друга.) Однако механизм действия высокотемпературных сверхпроводников остается неясным.

Электроны внутри проводящих твердых тел, которые сами являются квазичастицами, когда они плотно удерживаются при температурах, близких к абсолютному нулю , ведут себя так, как если бы они разделились на три другие квазичастицы : спиноны , орбитоны и холоны . Первый несет спин и магнитный момент, следующий — свое орбитальное положение, а второй — электрический заряд.

Движение и энергия

Согласно относительности Эйнштейна теории специальной , когда скорость электрона приближается к скорости света , с точки зрения наблюдателя его релятивистская масса увеличивается, что затрудняет его ускорение из системы отсчета наблюдателя. Скорость электрона может приближаться, но никогда не достигать скорости света в вакууме, c . Однако когда релятивистские электроны, то есть электроны, движущиеся со скоростью, близкой к c , инжектируются в диэлектрическую среду, такую ​​как вода, где локальная скорость света значительно меньше c , электроны временно перемещаются быстрее, чем свет в среде. . При взаимодействии со средой они генерируют слабый свет, называемый черенковским излучением .

Фактор Лоренца как функция скорости. Он начинается со значения 1 и стремится к бесконечности по мере того, как v приближается к c .

Эффекты специальной теории относительности основаны на величине, известной как фактор Лоренца , определяемой как $\scriptstyle \gamma =1/{\sqrt {1-{v^{2}}/{c^{2}}}}$ где v — скорость частицы. Кинетическая энергия K _e электрона, движущегося со скоростью v, равна:

$\displaystyle K_{\mathrm {e} }=(\gamma -1)m_{\mathrm {e} }c^{2},$

где m _e — масса электрона. Например, Стэнфордский линейный ускоритель может ускорить электрон примерно до 51 ГэВ. Поскольку электрон ведет себя как волна, при данной скорости он имеет характерную длину волны де Бройля . Это определяется выражением λ _e = h / p, где h — постоянная Планка , а p — импульс. Для электрона с энергией 51 ГэВ, приведенного выше, длина волны составляет около 2,4 × 10 ⁻¹⁷ m , достаточно мал, чтобы исследовать структуры, размер которых значительно меньше атомного ядра.

Формирование

Парное рождение электрона и позитрона, вызванное близким сближением фотона с атомным ядром. Символ молнии представляет собой обмен виртуальными фотонами, таким образом действует электрическая сила. Угол между частицами очень мал.

Теория Большого взрыва — наиболее широко распространенная научная теория, объясняющая ранние этапы эволюции Вселенной. В первую миллисекунду Большого взрыва температура составляла более 10 миллиардов кельвинов , а средняя энергия фотонов превышала миллион электронвольт . Эти фотоны были достаточно энергичными, чтобы реагировать друг с другом, образуя пары электронов и позитронов. Точно так же пары позитрон-электрон аннигилировали друг друга и испускали энергичные фотоны:

с
+
с
↔
и ⁺
+
и ⁻

На этом этапе эволюции Вселенной сохранялось равновесие между электронами, позитронами и фотонами. Однако по прошествии 15 секунд температура Вселенной упала ниже порога, при котором могло произойти образование электрон-позитронов. Большинство уцелевших электронов и позитронов аннигилировали друг друга, выпустив гамма-излучение, которое на короткое время разогрело Вселенную.

По причинам, которые остаются неясными, в процессе аннигиляции произошло превышение числа частиц над античастицами. Следовательно, выживало примерно один электрон на каждый миллиард электрон-позитронных пар. Этот избыток соответствовал избытку протонов над антипротонами в состоянии, известном как барионная асимметрия , в результате чего чистый заряд Вселенной был равен нулю. Выжившие протоны и нейтроны начали участвовать в реакциях друг с другом — в процессе, известном как нуклеосинтез , образуя изотопы водорода и гелия со следами лития . Этот процесс достиг пика примерно через пять минут. Все оставшиеся нейтроны подверглись отрицательному бета-распаду с периодом полураспада около тысячи секунд, высвободив при этом протон и электрон.

н
→
п
+
и ⁻
+
н
_и

Примерно в течение следующих 300 000–400 с 000 атомными лет избыточные электроны оставались слишком энергичными, чтобы связываться ядрами . За этим последовал период, известный как рекомбинация , когда образовались нейтральные атомы и расширяющаяся Вселенная стала прозрачной для излучения.

Примерно через миллион лет после Большого взрыва первое поколение звезд . начало формироваться Внутри звезды звездный нуклеосинтез приводит к образованию позитронов в результате слияния атомных ядер. Эти частицы антиматерии немедленно аннигилируют вместе с электронами, испуская гамма-лучи. Конечным результатом является устойчивое уменьшение числа электронов и соответствующее увеличение числа нейтронов. Однако процесс звездной эволюции может привести к синтезу радиоактивных изотопов. Отдельные изотопы могут впоследствии подвергаться отрицательному бета-распаду, испуская электрон и антинейтрино из ядра. Примером является кобальт-60 ( ⁶⁰ Co) изотоп, который распадается с образованием никеля-60 ( ⁶⁰
В
).

Расширенный воздушный поток, вызванный энергичным космическим лучом, попавшим в атмосферу Земли.

В конце своей жизни звезда с массой более 20 солнечных может подвергнуться гравитационному коллапсу с образованием черной дыры . Согласно классической физике , эти массивные звездные объекты оказывают гравитационное притяжение , достаточно сильное, чтобы предотвратить выход чего-либо, даже электромагнитного излучения , за пределы радиуса Шварцшильда . Однако считается, что квантово-механические эффекты потенциально допускают испускание излучения Хокинга на таком расстоянии. Считается, что электроны (и позитроны) рождаются на горизонте событий этих звездных остатков .

Когда пара виртуальных частиц (таких как электрон и позитрон) создается вблизи горизонта событий, случайное пространственное расположение может привести к тому, что одна из них появится снаружи; этот процесс называется квантовым туннелированием . Гравитационный потенциал черной дыры может затем обеспечить энергию, которая преобразует эту виртуальную частицу в реальную частицу, позволяя ей излучаться в космос. Взамен другому члену пары передается отрицательная энергия, что приводит к чистой потере массы-энергии черной дырой. Скорость излучения Хокинга увеличивается с уменьшением массы, что в конечном итоге приводит к испарению черной дыры, пока, наконец, она не взорвется.

Космические лучи — это частицы, путешествующие в космосе с высокими энергиями. Энергетические события размером до 3,0 × 10 ²⁰ эВ были зарегистрированы. Когда эти частицы сталкиваются с нуклонами в атмосфере Земли , генерируется дождь частиц, в том числе пионов . Более половины космического излучения, наблюдаемого с поверхности Земли, состоит из мюонов . Частица, называемая мюоном, представляет собой лептон, образующийся в верхних слоях атмосферы в результате распада пиона.

п ⁻
→
м ⁻
+
н
_м

Мюон, в свою очередь, может распасться с образованием электрона или позитрона.

м ⁻
→
и ⁻
+
н
_и +
н
_м

Наблюдение

Полярные сияния в основном вызываются энергичными электронами, выпадающими в атмосферу.

Дистанционное наблюдение электронов требует регистрации их излучаемой энергии. Например, в высокоэнергетических средах, таких как корона звезды, свободные электроны образуют плазму , излучающую энергию за счет тормозного излучения. Электронный газ может подвергаться плазменным колебаниям , которые представляют собой волны, вызванные синхронизированными изменениями плотности электронов, и они производят выбросы энергии, которые можно обнаружить с помощью радиотелескопов .

Частота фотона . энергии пропорциональна его Когда связанный электрон переходит между различными энергетическими уровнями атома, он поглощает или излучает фотоны с характерными частотами. Например, при облучении атомов источником с широким спектром в спектре прошедшего излучения появляются отчетливые темные линии в местах поглощения соответствующей частоты электронами атома. Каждый элемент или молекула отображает характерный набор спектральных линий, таких как спектральная серия водорода . При обнаружении спектроскопические измерения силы и ширины этих линий позволяют определить состав и физические свойства вещества.

В лабораторных условиях взаимодействия отдельных электронов можно наблюдать с помощью детекторов частиц , которые позволяют измерять определенные свойства, такие как энергия, спин и заряд. Разработка ловушки Пола и ловушки Пеннинга позволяет удерживать заряженные частицы в небольшой области в течение длительного времени. Это обеспечивает точные измерения свойств частиц. Например, в одном случае ловушка Пеннинга использовалась для удержания одного электрона в течение 10 месяцев. Магнитный момент электрона измерялся с точностью до одиннадцати знаков, что в 1980 году было большей точностью, чем для любой другой физической константы.

Первые видеоизображения распределения энергии электрона были сняты командой Лундского университета в Швеции в феврале 2008 года. Ученые использовали чрезвычайно короткие вспышки света, называемые аттосекундными импульсами, что позволило впервые наблюдать движение электрона.

Распределение электронов в твердых материалах можно визуализировать с помощью фотоэмиссионной спектроскопии с угловым разрешением (ARPES). Этот метод использует фотоэлектрический эффект для измерения обратного пространства — математического представления периодических структур, которое используется для вывода об исходной структуре. ARPES можно использовать для определения направления, скорости и рассеяния электронов внутри материала.

Плазменные приложения

Пучки частиц

Во время испытаний НАСА в аэродинамической трубе модель космического корабля "Шаттл" подвергается воздействию пучка электронов, имитируя эффект ионизирующих газов при входе в атмосферу .

Электронные лучи используются при сварке . Они допускают плотность энергии до 10 ⁷ Вт·см ⁻² диаметром узкого фокуса 0,1–1,3 мм и обычно не требуют наполнителя. Этот метод сварки должен выполняться в вакууме, чтобы предотвратить взаимодействие электронов с газом до достижения цели, и его можно использовать для соединения проводящих материалов, которые в противном случае считались бы непригодными для сварки.

Электронно-лучевая литография (ЭЛЛ) — это метод травления полупроводников с разрешением менее микрометра . Этот метод ограничен высокой стоимостью, низкой производительностью, необходимостью работать с лучом в вакууме и склонностью электронов рассеиваться в твердых телах. Последняя проблема ограничивает разрешение примерно до 10 нм. По этой причине EBL в основном используется для производства небольшого количества специализированных интегральных схем .

Электронно-лучевую обработку применяют для облучения материалов с целью изменения их физических свойств или стерилизации медицинских и пищевых продуктов. Электронные пучки псевдоожижают или квазиплавляют стекла без значительного повышения температуры при интенсивном облучении: например, интенсивное электронное излучение вызывает на многие порядки уменьшение вязкости и ступенчатое уменьшение ее энергии активации.

Линейные ускорители частиц генерируют электронные пучки для лечения поверхностных опухолей при лучевой терапии . Электронная терапия может лечить такие поражения кожи, как базальноклеточный рак , поскольку электронный луч проникает только на ограниченную глубину перед поглощением, обычно до 5 см для энергий электронов в диапазоне 5–20 МэВ. Электронный луч можно использовать в качестве дополнения к лечению участков, подвергшихся рентгеновскому облучению .

Ускорители частиц используют электрические поля для разгона электронов и их античастиц до высоких энергий. Эти частицы испускают синхротронное излучение при прохождении через магнитные поля. Зависимость интенсивности этого излучения от спина поляризует электронный пучок — процесс, известный как эффект Соколова-Тернова . Поляризованные электронные пучки могут быть полезны для различных экспериментов. Синхротронное излучение также может охлаждать электронные лучи, чтобы уменьшить разброс частиц по импульсу. Пучки электронов и позитронов сталкиваются при ускорении частиц до необходимых энергий; Детекторы частиц наблюдают за возникающими в результате выбросами энергии, которые физика элементарных частиц . изучает

Изображение

Дифракция низкоэнергетических электронов (LEED) — это метод бомбардировки кристаллического материала коллимированным пучком электронов с последующим наблюдением полученных дифракционных картин для определения структуры материала. Требуемая энергия электронов обычно находится в диапазоне 20–200 эВ. Метод дифракции быстрых электронов на отражение (RHEED) использует отражение пучка электронов, выпущенных под различными малыми углами, для определения характеристик поверхности кристаллических материалов. Энергия пучка обычно находится в диапазоне 8–20 кэВ, угол падения 1–4°.

Электронный микроскоп направляет на образец сфокусированный пучок электронов. Некоторые электроны меняют свои свойства, такие как направление движения, угол, относительную фазу и энергию, когда луч взаимодействует с материалом. Микроскописты могут регистрировать эти изменения в электронном луче, чтобы создавать изображения материала с атомарным разрешением. В синем свете обычные оптические микроскопы имеют дифракционное разрешение около 200 нм. Для сравнения, электронные микроскопы ограничены длиной волны де Бройля электрона. Эта длина волны, например, равна 0,0037 нм для электронов, ускоренных при потенциале 100 000 вольт . Просвечивающий микроскоп с коррекцией электронной аберрации имеет разрешение менее 0,05 нм, чего более чем достаточно для разделения отдельных атомов. Эта возможность делает электронный микроскоп полезным лабораторным инструментом для получения изображений с высоким разрешением. Однако электронные микроскопы — дорогостоящие инструменты, обслуживание которых требует больших затрат.

Существуют два основных типа электронных микроскопов: просвечивающий и сканирующий . Просвечивающие электронные микроскопы действуют как диапроекторы : луч электронов проходит через срез материала, а затем проецируется линзами на фотографическое слайд или устройство с зарядовой связью . Сканирующие электронные микроскопы растрируют тонко сфокусированный электронный луч, как в телевизоре, по исследуемому образцу для получения изображения. Увеличение варьируется от 100× до 1 000 000× или выше для обоих типов микроскопов. Сканирующий туннельный микроскоп использует квантовое туннелирование электронов от острого металлического наконечника в исследуемый материал и может создавать изображения его поверхности с атомарным разрешением.

Другие приложения

В лазере на свободных электронах (ЛСЭ) релятивистский электронный луч проходит через пару ондуляторов , которые содержат массивы дипольных магнитов , поля которых направлены в чередующихся направлениях. Электроны испускают синхротронное излучение, которое когерентно взаимодействует с теми же электронами, сильно усиливая поле излучения на резонансной частоте. ЛСЭ может излучать когерентное электромагнитное излучение высокой яркости в широком диапазоне частот — от микроволн до мягкого рентгеновского излучения. Эти устройства используются в производстве, связи и в медицинских целях, таких как хирургия мягких тканей.

Электроны играют важную роль в электронно-лучевых трубках , которые широко используются в качестве устройств отображения в лабораторных приборах, компьютерных мониторах и телевизорах . В фотоумножителе каждый фотон, попадающий на фотокатод, инициирует лавину электронов, которая создает заметный импульс тока. Вакуумные лампы используют поток электронов для управления электрическими сигналами и сыграли решающую роль в развитии электронных технологий. Однако они были в значительной степени вытеснены полупроводниковыми устройствами, такими как транзисторы .

См. также

• Анион
• Бета-излучение
• Электрид
• Электронный пузырь
• Экзоэлектронная эмиссия
• g -фактор
• Лептон
• Список частиц
• Одноэлектронная Вселенная
• Периодические системы малых молекул
• Спинтроника
• Эксперимент Штерна-Герлаха
• Выписка из Таунсенда
• эффект Зеемана
• Позитрон или антиэлектрон — это античастица или антивещество, противоположная часть электрона.

Внешние ссылки

• «Открытие электрона» . Центр истории физики. Американский институт физики .
• «Группа данных частиц» . Калифорнийский университет.
• Бок, РК; Василеску, А. (1998). Справочник по детектору частиц (14-е изд.). Спрингер. ISBN  978-3-540-64120-9 .