Электрон

Электрон

Орбитали атомов водорода на разных уровнях энергии. В более непрозрачных областях наиболее вероятно найти электрон в любой момент времени.
Сочинение	Элементарная частица [1]
Статистика	Фермионный
Поколение	Первый
Взаимодействия	Гравитация , электромагнитная , слабая
Символ	е- , β-
Античастица	Позитрон (также называемый антиэлектроном)
Теоретически	Ричард Лэминг (1838–1851), [2] Дж. Джонстон Стоуни (1874) и другие. [3] [4]
Обнаруженный	Дж. Дж. Томсон (1897) [5]
Масса	9,109 383 7015 (28) × 10 −31  кг [6] 5,485 799 090 70 (16) × 10 −4  ед [7] [1 822 .888 4845 (14) ] −1  мк [а] 0,510 998 950 00 (15)  МэВ / c 2 [6]
Средняя продолжительность жизни	стабильный (> 6,6 × 10 28  лет [8] )
Электрический заряд	−1  e [b] −1.602 176 634 × 10 −19  С [6] −4,803 204 51 (10) × 10 −10  esu
Магнитный момент	-1,001 159 652 180 91 (26)  μ B [7]
Вращение	1/2
Слабый изоспин	LH : -1/2, RH : 0
Слабый гиперзаряд	LH : -1, RH : -2

Электронов является субатомная частиц , символ
е^-
или же
β^-
, электрический заряд которой отрицателен на один элементарный заряд . ^[9] Электроны принадлежат к первому поколению семейства лептонных частиц ^[10] и обычно считаются элементарными частицами, потому что у них нет известных компонентов или субструктуры. ^[1] Электрон имеет массу примерно 1/1836 массы протона . ^[11] Квантово-механические свойства электрона включают собственный угловой момент ( спин ) полуцелого значения, выраженный в единицахприведенная постоянная Планка , ħ . Как фермионы , никакие два электрона не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии в соответствии с принципом исключения Паули . ^[10] Как и все элементарные частицы, электроны проявляют свойства как частиц, так и волн : они могут сталкиваться с другими частицами и могут дифрагировать, как свет. Эти волновые свойства электронов легче наблюдать с экспериментами , чем у других частиц , таких как нейтроны и протоны , потому что электроны имеют меньшую массу и , следовательно, больше длина волны де Бройля для данной энергии.

Электроны играют важную роль во многих физических явлениях, таких как электричество , магнетизм , химия и теплопроводность , а также они участвуют в гравитационных , электромагнитных и слабых взаимодействиях . ^[12] Поскольку электрон имеет заряд, он имеет окружающее электрическое поле , и если этот электрон движется относительно наблюдателя, указанный наблюдатель будет наблюдать за ним, чтобы создать магнитное поле . Электромагнитные поля, создаваемые из других источников, 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 улавливать как отдельные электроны, так и электронную плазму с помощью электромагнитных полей. Специальные телескопы могут обнаруживать электронную плазму в космосе. Электроны используются во многих приложениях, таких как электроника , сварка , электронно-лучевые трубки , электронные микроскопы , лучевая терапия , лазеры , детекторы газовой ионизации и ускорители частиц .

Взаимодействие электронов с другими субатомными частицами представляет интерес в таких областях, как химия и ядерная физика . Сила Кулона взаимодействие положительных протонов внутри атомных ядер и отрицательных электронов без, позволяет состав два известных , как атомы . Ионизация или различия в пропорциях отрицательных электронов по сравнению с положительными ядрами изменяют энергию связи атомной системы. Обмен или совместное использование электронов между двумя или более атомами является основной причиной химической связи . ^[13] В 1838 году британский натурфилософ Ричард Лэмингпервым выдвинул гипотезу о неделимой величине электрического заряда для объяснения химических свойств атомов. ^[3] Ирландский физик Джордж Джонстон Стоуни назвал этот заряд «электроном» в 1891 году, а Дж. Дж. Томсон и его группа британских физиков идентифицировали его как частицу в 1897 году во время эксперимента с электронно-лучевой трубкой . ^[5] Электроны также могут участвовать в ядерных реакциях , таких как нуклеосинтез в звездах , где они известны как бета-частицы . Электроны могут быть созданы с помощью бета - распада от радиоактивных изотопови при столкновениях с высокими энергиями, например, когда космические лучи входят в атмосферу. Античастица электрона называется позитрон ; он идентичен электрону, за исключением того, что несет электрический заряд противоположного знака. Когда электрон сталкивается с позитроном , обе частицы могут аннигилировать , создавая гамма- кванты .

История [ править ]

Открытие эффекта электрической силы [ править ]

В древние греки заметили , что янтарь привлекают мелкие предметы при растирании с мехом. Наряду с молнией это явление является одним из самых ранних зарегистрированных опытов человечества с электричеством . ^[14] В своем трактате « De Magnete» 1600 года английский ученый Уильям Гилберт ввел в употребление новый латинский термин « electrica» для обозначения веществ со свойством, аналогичным свойствам янтаря, которые притягивают мелкие предметы после того, как их натерли. ^[15] И электричество, и электричество происходят от латинского ēlectrum.(также является корнем одноименного сплава ), происходящего от греческого слова «янтарь», ἤλεκτρον ( ēlektron ).

Обнаружение двух видов обвинений [ править ]

В начале 1700-х годов французский химик Шарль Франсуа дю Фэй обнаружил, что если заряженное сусальное золото отталкивается стеклом, натертым с шелком, то такое же заряженное сусальное золото притягивается янтарем, натертым с шерстью. Из этого и других результатов подобных экспериментов дю Фэй пришел к выводу, что электричество состоит из двух электрических жидкостей : стекловидного тела из стекла, натертого шелком, и смолистого флюида из янтаря, натертого шерстью. Эти две жидкости могут нейтрализовать друг друга в сочетании. ^{[15] [16]} Американский ученый Эбенезер Киннерсли позже независимо пришел к такому же выводу. ^{[17] : 118} Десять лет спустяБенджамин Франклин предположил, что электричество возникло не из разных типов электрической жидкости, а из одной электрической жидкости, показывающей избыток (+) или дефицит (-). Он дал им современную номенклатуру заряда : положительный и отрицательный соответственно. ^[18] Франклин считал носитель заряда положительным, но он неправильно определил, какая ситуация была избытком носителя заряда, а какая - дефицитом. ^[19]

Между 1838 и 1851 годами британский натурфилософ Ричард Лэминг разработал идею о том, что атом состоит из ядра материи, окруженного субатомными частицами с единичными электрическими зарядами . ^[2] Начиная с 1846 года, немецкий физик Уильям Вебер предположил, что электричество состоит из положительно и отрицательно заряженных жидкостей, а их взаимодействие регулируется законом обратных квадратов . После изучения явления электролиза в 1874 году ирландский физик Джордж Джонстон Стоуни предположил, что существует «одно определенное количество электричества», заряд одновалентного иона.. Он смог оценить величину этого элементарного заряда e с помощью законов электролиза Фарадея . ^[20] Однако Стони полагал, что эти заряды были постоянно прикреплены к атомам и не могли быть удалены. В 1881 году немецкий физик Герман фон Гельмгольц утверждал, что как положительные, так и отрицательные заряды были разделены на элементарные части, каждая из которых «ведет себя как атомы электричества». ^[3]

Стони впервые ввел термин электролион в 1881 году. Десять лет спустя он переключился на электрон, чтобы описать эти элементарные заряды, написав в 1894 году: «... была сделана оценка фактического количества этой наиболее замечательной фундаментальной единицы электричества, для которой С тех пор я рискнул предложить название " электрон ". Предложение 1906 года перейти на электрион не удалось, потому что Хендрик Лоренц предпочел оставить электрон . ^{[21] [22]} Слово электрона представляет собой сочетание слов ELECTR IC и я на . ^[23] Суффикс -на который сейчас используется для обозначения других субатомных частиц, таких как протон или нейтрон, в свою очередь, происходит от электрона. ^{[24] [25]}

Открытие свободных электронов вне вещества [ править ]

При изучении электропроводности в разреженных газах в 1859 году немецкий физик Юлиус Плюккер заметил, что фосфоресцирующий свет, вызванный излучением, испускаемым катодом, появлялся на стенке трубки рядом с катодом, и область фосфоресцирующего света могла перемещаться. приложением магнитного поля. ^[27] В 1869 году ученик Плюккера Иоганн Вильгельм Хитторф обнаружил, что твердое тело, помещенное между катодом и фосфоресценцией, отбрасывает тень на фосфоресцирующую область трубки. Хитторф предположил, что катод испускает прямые лучи и что фосфоресценция вызывается лучами, падающими на стенки трубки. В 1876 году немецкий физик Ойген Гольдштейнпоказали, что лучи испускаются перпендикулярно поверхности катода, что позволяет различать лучи, испускаемые катодом, и свет лампы накаливания. Гольдштейн назвал лучи катодными лучами . ^{[28] [29] : 393} Десятилетия экспериментальных и теоретических исследований катодных лучей сыграли важную роль в конечном открытии Дж. Дж. Томсоном электронов. ^[3]

В 1870-х годах английский химик и физик сэр Уильям Крукс разработал первую электронно-лучевую трубку, внутри которой был высокий вакуум . ^[30] Затем он показал в 1874 году, что катодные лучи могут вращать маленькое лопастное колесо, когда они помещаются на их пути. Поэтому он пришел к выводу, что лучи несут импульс. Кроме того, приложив магнитное поле, он смог отклонить лучи, тем самым продемонстрировав, что луч ведет себя так, как если бы он был заряжен отрицательно. ^[28] В 1879 году он предположил, что эти свойства можно объяснить, рассматривая катодные лучи как составленные из отрицательно заряженных газообразных молекул в четвертом состоянии вещества, в котором длина свободного пробега частиц настолько велика, что столкновениями можно пренебречь.^{[29] : 394–395}

Родившийся в Германии британский физик Артур Шустер расширил эксперименты Крукса, разместив металлические пластины параллельно катодным лучам и приложив к ним электрический потенциал . ^[31] Поле отклонило лучи к положительно заряженной пластине, что стало дополнительным доказательством того, что лучи несли отрицательный заряд. Измеряя величину отклонения для данного уровня тока , в 1890 году Шустер смог оценить отношение заряда к массе ^[c] компонентов луча. Однако это дало ценность, которая была более чем в тысячу раз больше, чем ожидалось, поэтому его расчетам в то время не поверили. ^[28]

В 1892 году Хендрик Лоренц предположил, что масса этих частиц (электронов) может быть следствием их электрического заряда. ^[32]

Изучая естественные флуоресцентные минералы в 1896 году, французский физик Анри Беккерель обнаружил, что они испускают излучение без какого-либо воздействия внешнего источника энергии. Эти радиоактивные материалы стали предметом большого интереса ученых, в том числе новозеландского физика Эрнеста Резерфорда, который обнаружил, что они испускают частицы. Он обозначил эти частицы альфа и бета на основании их способности проникать в материю. ^[33] В 1900 году Беккерель показал, что бета-лучи, испускаемые радием, могут отклоняться электрическим полем, и что их отношение массы к заряду было таким же, как у катодных лучей.^[34] Это свидетельство укрепило мнение о существовании электронов как компонентов атомов. ^{[35] [36]}

В 1897 году британский физик Дж. Дж. Томсон со своими коллегами Джоном С. Таунсендом и Х. А. Уилсоном провели эксперименты, показавшие, что катодные лучи действительно были уникальными частицами, а не волнами, атомами или молекулами, как считалось ранее. ^[5] Томсон сделал хорошие оценки как заряда e, так и массы m , обнаружив, что частицы катодного луча, которые он назвал «корпускулами», имели, вероятно, одну тысячную массы наименее массивного известного иона: водорода. ^[5] Он показал, что их отношение заряда к массе, э / м, не зависела от материала катода. Далее он показал, что отрицательно заряженные частицы, производимые радиоактивными материалами, нагретыми материалами и освещенными материалами, являются универсальными. ^{[5] [37]} Название «электрон» было принято для этих частиц научным сообществом, в основном благодаря поддержке Дж. Ф. Фитцджеральда , Дж. Лармора и Х. А. Лоренца . ^{[38] : 273}

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. в результате силы тяжести. Это устройство могло измерять электрический заряд всего от 1 до 150 ионов с погрешностью менее 0,3%. Аналогичные эксперименты были проведены ранее командой Томсона ^[5] с использованием облаков заряженных капель воды, генерируемых электролизом, и в 1911 году Абрамом Иоффе , который независимо получил тот же результат, что и Милликен, с использованием заряженных микрочастиц металлов, а затем опубликовал свои результаты в 1913 году. .^[39] Однако капли масла были более стабильными, чем капли воды, из-за их более медленной скорости испарения и, следовательно, больше подходили для точных экспериментов в течение более длительных периодов времени. ^[40]

Примерно в начале двадцатого века было обнаружено, что при определенных условиях быстро движущаяся заряженная частица вызывает конденсацию перенасыщенного водяного пара на своем пути. В 1911 году Чарльз Уилсон использовал этот принцип при разработке своей камеры Вильсона, чтобы он мог фотографировать следы заряженных частиц, таких как быстро движущиеся электроны. ^[41]

Атомная теория [ править ]

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. ^[42] В 1913 году датский физик Нильс Бор постулировал, что электроны находятся в квантованных энергетических состояниях, причем их энергии определяются угловым моментом орбиты электрона вокруг ядра. Электроны могут перемещаться между этими состояниями или орбитами за счет излучения или поглощения фотонов определенных частот. С помощью этих квантованных орбит он точно объяснил спектральные линииатома водорода. ^[43] Однако модель Бора не смогла учесть относительные интенсивности спектральных линий и не смогла объяснить спектры более сложных атомов. ^[42]

Химические связи между атомами были объяснены Гилбертом Ньютоном Льюисом , который в 1916 году предположил, что ковалентная связь между двумя атомами поддерживается парой электронов, общих между ними. ^[44] Позже, в 1927 году, Уолтер Хайтлер и Фриц Лондон дали полное объяснение образования электронных пар и химической связи с точки зрения квантовой механики . ^[45] В 1919 году американский химик Ирвинг Ленгмюр разработал статическую модель атома Льюиса и предположил, что все электроны были распределены в последовательных «концентрических (почти) сферических оболочках одинаковой толщины». ^[46]В свою очередь, он разделил оболочки на несколько ячеек, каждая из которых содержала по одной паре электронов. С помощью этой модели Ленгмюру удалось качественно объяснить химические свойства всех элементов периодической таблицы ^[45], которые, как известно, в значительной степени повторяются в соответствии с периодическим законом . ^[47]

В 1924 году австрийский физик Вольфганг Паули заметил, что подобная оболочке структура атома может быть объяснена 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 одного электрона занимали одно и то же квантовое энергетическое состояние, стал известен как принцип исключения Паули . ^[48] Физический механизм для объяснения четвертого параметра, который имел два различных возможных значения, был предложен голландскими физиками Сэмюэлем Гоудсмитом и Джорджем Уленбеком . В 1925 году они предположили, что электрон, помимо углового момента своей орбиты, обладает собственным угловым моментом имагнитный дипольный момент . ^{[42] [49]} Это аналогично вращению Земли вокруг своей оси, когда она вращается вокруг Солнца. Собственный угловой момент стал известен как спин и объяснил ранее загадочное расщепление спектральных линий, наблюдаемое с помощью спектрографа высокого разрешения ; это явление известно как расщепление тонкой структуры . ^[50]

Квантовая механика [ править ]

В своей диссертации 1924 года « Исследования теории квантов» («Исследования квантовой теории») французский физик Луи де Бройль выдвинул гипотезу о том, что вся материя может быть представлена ​​в виде волны де Бройля в манере света . ^[51] То есть при соответствующих условиях электроны и другая материя проявляли бы свойства либо частиц, либо волн. В корпускулярных свойствах частицы демонстрируется , когда показано , чтобы иметь локализованное положение в пространстве вдоль его траектории в любом данный момент. ^[52] Волнообразный характер света отображается, например, когда луч света проходит через параллельные щели, создавая таким образом помехи.узоры. В 1927 году Джордж Пэджет Томсон обнаружил, что эффект интерференции возникает, когда пучок электронов проходит через тонкую металлическую фольгу, а американскими физиками Клинтоном Дэвиссоном и Лестером Гермером - отражением электронов от кристалла никеля . ^[53]

Предсказание де Бройля о волновой природе электронов привело Эрвина Шредингера к постулированию волнового уравнения для электронов, движущихся под влиянием ядра в атоме. В 1926 году это уравнение, уравнение Шредингера , успешно описало, как распространяются электронные волны. ^[54] Вместо того, чтобы давать решение, которое определяло местоположение электрона во времени, это волновое уравнение также можно было бы использовать для предсказания вероятности обнаружения электрона рядом с положением, особенно с положением рядом с тем местом, где электрон был связан в пространстве, для которые не менялись во времени в электронных волновых уравнениях. Этот подход привел ко второй формулировке квантовой механики.(первое Гейзенбергом в 1925 г.), и решения уравнения Шредингера, как и уравнения Гейзенберга, обеспечивали выводы энергетических состояний электрона в атоме водорода, которые были эквивалентны тем, которые были впервые выведены Бором в 1913 г. и которые были известны. для воспроизведения спектра водорода. ^[55] После того, как спин и взаимодействие между несколькими электронами стали доступными для описания, квантовая механика позволила предсказать конфигурацию электронов в атомах с атомными номерами больше водорода. ^[56]

В 1928 году, опираясь на работу 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. ^[57] Чтобы решить некоторые проблемы в рамках своего релятивистского уравнения, 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, антивещественного аналога электрона. ^[58] Эта частица была открыта в 1932 г.Карл Андерсон , который предложил называть стандартные электроны негатонами 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 относительно друг друга; это различие получило название Лэмбовского сдвига . Примерно в то же время Поликарп Куш , работая с Генри М. Фоли , обнаружил, что магнитный момент электрона немного больше, чем предсказывает теория Дирака. Эта небольшая разница позже была названа аномальным магнитным дипольным моментом электрона. Это различие позже было объяснено теорией квантовой электродинамики , разработанной Син-Итиро Томонага ,Джулиан Швингер и Ричард Фейнман в конце 1940-х годов. ^[59]

Ускорители элементарных частиц [ править ]

С разработкой ускорителя элементарных частиц в первой половине двадцатого века физики начали глубже изучать свойства субатомных частиц . ^[60] Первая успешная попытка ускорить электроны с помощью электромагнитной индукции была сделана в 1942 году Дональдом Керстом . Его первоначальный бетатрон достиг энергии 2,3 МэВ, в то время как последующие бетатроны достигли энергии 300 МэВ. В 1947 году синхротронное излучение было обнаружено с помощью электронного синхротрона на 70 МэВ в General Electric . Это излучение было вызвано ускорением электронов в магнитном поле, когда они двигались со скоростью, близкой к скорости света. ^[61]

С энергией пучка 1,5 ГэВ первым коллайдером высокоэнергетических частиц стал ADONE , который начал работу в 1968 году. ^[62] Это устройство ускоряло электроны и позитроны в противоположных направлениях, эффективно удваивая энергию их столкновения по сравнению с столкновением со статическим электричеством. мишень с электроном. ^[63] Большой электрон-позитронной коллайдер (LEP) в ЦЕРН , который был действовать с 1989 по 2000, достигнутых энергий столкновения 209 ГэВ и сделал важные измерения для стандартной модели физики частиц. ^{[64] [65]}

Удержание отдельных электронов [ править ]

Отдельные электроны теперь можно легко удерживать в сверхмалых ( L = 20 нм , W = 20 нм ) КМОП-транзисторах, работающих при криогенных температурах в диапазоне от -269 ° C (4  K ) до примерно -258 ° C (15  K ). ^[66] Волновая функция электрона распространяется в решетке полупроводника и незначительно взаимодействует с электронами валентной зоны, поэтому ее можно рассматривать в формализме одной частицы, заменяя ее массу тензором эффективной массы .

Характеристики [ править ]

Классификация [ править ]

В Стандартной модели физики элементарных частиц электроны принадлежат к группе субатомных частиц, называемых лептонами , которые считаются фундаментальными или элементарными частицами . Электроны имеют самую низкую массу среди всех заряженных лептонов (или электрически заряженных частиц любого типа) и принадлежат к первому поколению элементарных частиц. ^[67] Второе и третье поколение содержит заряженные лептоны, мюон и тау , которые идентичны электрону по заряду, спину и взаимодействиям , но более массивны. Лептоны отличаются от другого основного компонента материи - кварков.из-за отсутствия сильного взаимодействия . Все члены лептонной группы являются фермионами, потому что все они имеют получетный целочисленный спин; у электрона есть спин1/2. ^[68]

Основные свойства [ править ]

Инвариантная масса электрона приблизительно9,109 × 10 -31  кг, ^[69] или5,489 × 10 ⁻⁴  атомных единиц массы . Исходя из принципа эквивалентности массы и энергии Эйнштейна , эта масса соответствует энергии покоя 0,511 МэВ . Отношение между массой протона и электрона составляет около 1836. ^{[11] [70]} Астрономические измерения показывают, что отношение масс протона к массе электрона оставалось таким же, как и предсказывается Стандартной моделью, для по крайней мере, половина возраста Вселенной . ^[71]

Электроны имеют электрический заряд из-1.602 176 634 × 10 ^-19 кулонов , ^[69] , который используется в качестве стандартной единицы заряда для элементарных частиц, а также называют элементарный заряд . В пределах экспериментальной точности заряд электрона идентичен заряду протона, но с противоположным знаком. ^[72] Поскольку символ e используется для элементарного заряда , электрон обычно обозначается как
е^-
, где знак минус указывает на отрицательный заряд. Позитрон символизируется
е⁺
потому что он имеет те же свойства, что и электрон, но с положительным, а не отрицательным зарядом. ^{[68] [69]}

Электрон имеет собственный угловой момент или спин1/2. ^[69] Это свойство обычно подтверждается ссылкой на электрон как на спин1/2частица. ^[68] Для таких частиц величина спина равначас/2, ^{[73] [d] в} то время как результат измерения проекции спина на любую ось может быть только ±час/2. Помимо спина, электрон имеет собственный магнитный момент вдоль оси вращения. ^[69] Это примерно равно одному магнетону Бора , ^{[74] [e],} который является физической константой, равной9,274 009 15 (23) × 10 ⁻²⁴  джоулей на тесла . ^[69] Ориентация спина относительно импульса электрона определяет свойство элементарных частиц, известное как спиральность . ^[75]

Электрон не имеет известной субструктуры . ^{[1] [76]} Тем не менее, в физике конденсированных сред , разделение спин-заряд может произойти в некоторых материалах. В таких случаях электроны «расщепляются» на три независимых частицы: спинон , орбитон и холон (или чаргон). Электрон всегда можно теоретически рассматривать как связанное состояние из трех, где спинон несет спин электрона, орбитон несет орбитальную степень свободы, а чаргон несет заряд, но в определенных условиях они могут вести себя как независимые квазичастицы. . ^{[77] [78] [79]}

Вопрос о радиусе электрона - сложная проблема современной теоретической физики. Признание 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. ^[80] Наблюдение одного электрона в ловушке Пеннинга предполагает, что верхний предел радиуса частицы составляет 10 ⁻²²  метра. ^[81] Верхняя граница радиуса электрона 10 ^-18  метров ^[82] может быть получена с использованием соотношения неопределенности для энергии. Тамэто также физическая константа называется « классический радиус электрона », с гораздо большим значением2,8179 × 10 ⁻¹⁵  м , больше радиуса протона. Однако терминология исходит из упрощенного расчета, игнорирующего эффекты квантовой механики ; в действительности так называемый классический радиус электрона имеет мало общего с истинной фундаментальной структурой электрона. ^{[83] [84] [f]}

Есть элементарные частицы, которые самопроизвольно распадаются на менее массивные частицы. Примером является мюонов , с средним временем жизни из2,2 × 10 ^-6  секунд, который распадается на электрон, мюонное нейтрино и электронный 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 . ^[85] Экспериментальная нижняя граница среднего времени жизни электрона равна6,6 × 10 ²⁸ лет при уровне достоверности 90% . ^{[8] [86] [87]}

Квантовые свойства [ править ]

Как и все частицы, электроны могут действовать как волны. Это называется дуальностью волна-частица и может быть продемонстрировано с помощью эксперимента с двумя щелями .

Волнообразная природа электрона позволяет ему проходить через две параллельные щели одновременно, а не только через одну щель, как это было бы в случае классической частицы. В квантовой механике волнообразное свойство одной частицы может быть описано математически как комплекснозначная функция, волновая функция , обычно обозначаемая греческой буквой psi ( ψ ). Когда абсолютное значение этой функции возведено в квадрат , это дает вероятность того, что частица будет наблюдаться рядом с определенным местоположением - плотность вероятности . ^{[88] : 162–218}

Электроны являются идентичными частицами, потому что их нельзя отличить друг от друга по внутренним физическим свойствам. В квантовой механике это означает, что пара взаимодействующих электронов должна иметь возможность менять местами без заметного изменения состояния системы. Волновая функция фермионов, включая электроны, антисимметрична, что означает, что она меняет знак, когда два электрона меняются местами; то есть ψ ( r ₁ , r ₂ ) = - ψ ( r ₂ , r ₁ ) , где переменные r ₁ и r ₂соответствуют первому и второму электронам соответственно. Поскольку при смене знака абсолютное значение не изменяется, это соответствует равным вероятностям. Бозоны , такие как фотон, вместо этого имеют симметричные волновые функции. ^{[88] : 162–218}

В случае антисимметрии решения волнового уравнения для взаимодействующих электронов приводят к нулевой вероятности того, что каждая пара будет занимать одно и то же место или состояние. Это отвечает за принцип исключения Паули , который запрещает 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. ^{[88] : 162–218}

Виртуальные частицы [ править ]

В упрощенной картине, которая часто дает неверное представление, но может служить иллюстрацией некоторых аспектов, каждый фотон проводит некоторое время как комбинация виртуального электрона и его античастицы, виртуального позитрона, которые вскоре после этого быстро аннигилируют друг друга. ^[89] Сочетание изменения энергии , необходимое для создания этих частиц, а время , в течение которого они существуют, подпадают под порогом выявляемости выраженного соотношением неопределенности Гейзенберга , Δ E  · Δ T  ≥  ħ . Фактически, энергия, необходимая для создания этих виртуальных частиц, Δ E , может быть «заимствована» из вакуума на период времени Δ t, так что их произведение не больше приведенной постоянной Планка , ħ ≈6,6 × 10 ^-16  эВ · с . Таким образом, для виртуального электрона Δ t не превосходит1,3 × 10 ⁻²¹  с . ^[90]

Пока существует виртуальная пара электрон-позитрон, кулоновская сила окружающего электрон электрического поля заставляет созданный позитрон притягиваться к исходному электрону, в то время как созданный электрон испытывает отталкивание. Это вызывает то, что называется поляризацией вакуума . Фактически вакуум ведет себя как среда с диэлектрической проницаемостью больше единицы . Таким образом, эффективный заряд электрона на самом деле меньше его истинного значения, и заряд уменьшается с увеличением расстояния от электрона. ^{[91] [92]} Эта поляризация была подтверждена экспериментально в 1997 году с использованием японского TRISTAN.ускоритель частиц. ^[93] Виртуальные частицы вызывают сравнимый экранирующий эффект для массы электрона. ^[94]

Взаимодействие с виртуальными частицами также объясняет небольшое (около 0,1%) отклонение собственного магнитного момента электрона от магнетона Бора ( аномального магнитного момента ). ^{[74] [95]} Чрезвычайно точное совпадение этой предсказанной разницы с экспериментально определенным значением рассматривается как одно из величайших достижений квантовой электродинамики . ^[96]

Кажущийся парадокс в классической физике электрона с точечной частицей, имеющей собственный угловой момент и магнитный момент, можно объяснить образованием виртуальных фотонов в электрическом поле, создаваемом электроном. Эти фотоны заставляют электрон двигаться нервно (известное как zitterbewegung ) ^[97], что приводит к чистому круговому движению с прецессией . Это движение вызывает как спин, так и магнитный момент электрона. ^{[10] [98]} В атомах это создание виртуальных фотонов объясняет лэмбовский сдвиг, наблюдаемый в спектральных линиях . ^[91]Длина волны Комптона показывает, что около элементарных частиц, таких как электрон, неопределенность энергии позволяет создавать виртуальные частицы около электрона. Эта длина волны объясняет «статику» виртуальных частиц вокруг элементарных частиц на близком расстоянии.

Взаимодействие [ править ]

Электрон генерирует электрическое поле, которое оказывает силу притяжения на частицу с положительным зарядом, такую ​​как протон, и силу отталкивания на частицу с отрицательным зарядом. Сила этой силы в нерелятивистском приближении определяется законом обратных квадратов Кулона . ^{[99] ( стр. 58–61 )} Когда электрон находится в движении, он создает магнитное поле . ^{[88] ( p140 )} Закон Ампера-Максвелла связывает магнитное поле с массовым движением электронов ( током ) по отношению к наблюдателю. Это свойство индукции создает магнитное поле, которое приводит в движение электродвигатель.. ^[100] Электромагнитное поле произвольной движущейся заряженной частицы выражается потенциалами Льенара – Вихерта , которые действительны, даже когда скорость частицы близка к скорости света ( релятивистская ). ^{[99] ( стр 429–434 )}

Когда электрон движется через магнитное поле, на него действует сила Лоренца , действующая перпендикулярно плоскости, определяемой магнитным полем и скоростью электрона. Эта центростремительная сила заставляет электрон следовать винтовой траектории через поле с радиусом, который называется гирорадиусом . Ускорение от этого искривленного движения заставляет электрон излучать энергию в виде синхротронного излучения. ^{[101] [g] [88] ( p160 )} Излучение энергии, в свою очередь, вызывает отдачу электрона, известную как сила Абрахама – Лоренца – Дирака., которое создает трение, замедляющее электрон. Эта сила вызвана обратной реакцией собственного поля электрона на самого себя. ^[102]

Фотоны опосредуют электромагнитные взаимодействия между частицами в квантовой электродинамике . Изолированный электрон с постоянной скоростью не может испустить или поглотить настоящий фотон; это нарушит закон сохранения энергии и количества движения . Вместо этого виртуальные фотоны могут передавать импульс между двумя заряженными частицами. Этот обмен виртуальными фотонами, например, генерирует кулоновскую силу. ^[103] Излучение энергии может происходить, когда движущийся электрон отклоняется заряженной частицей, например протоном. Ускорение электрона приводит к испусканию тормозного излучения. ^[104]

Неупругое столкновение фотона (света) с уединенным (свободным) электроном называется комптоновским рассеянием . Это столкновение приводит к передаче импульса и энергии между частицами, что изменяет длину волны фотона на величину, называемую комптоновским сдвигом . ^[h] Максимальная величина этого сдвига длины волны h / m _e c , которая известна как длина волны Комптона . ^[105] Для электрона он имеет значение2,43 × 10 ⁻¹²  м . ^[69] Когда длина волны света велика (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. ^[106]

Относительная сила электромагнитного взаимодействия между двумя заряженными частицами, такими как электрон и протон, задается 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. Он определяется выражением α  ≈ 7,297 353 × 10 ⁻³ , что примерно равно1/137. ^[69]

Когда электроны и позитроны сталкиваются, они аннигилируют друг с другом, вызывая появление двух или более гамма-квантов. Если электрон и позитрон имеют пренебрежимо малый импульс, атом позитрония может образоваться до того, как аннигиляция приведет к появлению двух или трех гамма-квантов с суммарной энергией 1,022 МэВ. ^{[107] [108]} С другой стороны, фотон высокой энергии может превращаться в электрон и позитрон с помощью процесса, называемого рождением пар , но только в присутствии соседней заряженной частицы, например ядра. ^{[109] [110]}

В теории электрослабого взаимодействия , с левой рукой компоненты волновой функции форм электрона слабой изоспиновой дублетой с электронным нейтрино . Это означает, что при слабых взаимодействиях электронные нейтрино ведут себя как электроны. Любой член этого дублета может подвергаться взаимодействию заряженного тока , испуская или поглощаяWи быть преобразованным в другого члена. Заряд сохраняется во время этой реакции, потому что W-бозон также несет заряд, нейтрализуя любое чистое изменение во время трансмутации. Взаимодействия заряженного тока ответственны за явление бета-распада в радиоактивном атоме. И электронное, и электронное нейтрино могут вступать во взаимодействие с нейтральным током черезZ0обмен, и это отвечает за упругое рассеяние нейтрино-электронов . ^[111]

Атомы и молекулы [ править ]

Электрон может быть связан с ядром атома кулоновской силой притяжения. Система из одного или нескольких электронов, связанных с ядром, называется атомом. Если количество 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 только дискретный набор этих орбиталей существует вокруг ядра. Согласно принципу исключения Паули, каждая орбиталь может быть занята до двух электронов, которые должны различаться по их квантовому числу спина .

Электроны могут перемещаться между разными орбиталями путем испускания или поглощения фотонов с энергией, которая соответствует разнице потенциалов. ^{[112] : 159–160} Другие методы орбитального переноса включают столкновения с частицами, такими как электроны, и эффект Оже . ^[113] Чтобы покинуть атом, энергия электрона должна быть выше его энергии связи с атомом. Это происходит, например, с фотоэлектрическим эффектом , когда падающий фотон, превышающий энергию ионизации атома, поглощается электроном. ^{[112] : 127–132}

Орбитальный момент электронов квантуется . Поскольку электрон заряжен, он создает орбитальный магнитный момент, пропорциональный угловому моменту. Чистый магнитный момент атома равен векторной сумме орбитального и спинового магнитных моментов всех электронов и ядра. Магнитный момент ядра ничтожно мал по сравнению с магнитным моментом электронов. Магнитные моменты электронов, занимающих одну и ту же орбиталь (так называемые парные электроны), компенсируют друг друга. ^[114]

Химическая связь между атомами происходит в результате электромагнитных взаимодействий, как описано в соответствии с законами квантовой механики. ^[115] Самые прочные связи образуются за счет обмена или передачи электронов между атомами, что позволяет образовывать молекулы . ^[13] Внутри молекулы электроны движутся под влиянием нескольких ядер и занимают молекулярные орбитали ; настолько, насколько они могут занимать атомные орбитали в изолированных атомах. ^[116] Фундаментальным фактором в этих молекулярных структурах является наличие электронных пар.. Это электроны с противоположными спинами, что позволяет им занимать одну и ту же молекулярную орбиталь без нарушения принципа исключения Паули (как в атомах). Различные молекулярные орбитали имеют разное пространственное распределение электронной плотности. Например, в связанных парах (т.е. в парах, которые фактически связывают атомы вместе) электроны с максимальной вероятностью могут быть обнаружены в относительно небольшом объеме между ядрами. Напротив, в несвязанных парах электроны распределены в большом объеме вокруг ядер. ^[117]

Проводимость [ править ]

Если у тела больше или меньше электронов, чем требуется для уравновешивания положительного заряда ядер, то этот объект имеет чистый электрический заряд. Когда имеется избыток электронов, объект считается заряженным отрицательно. Когда электронов меньше, чем количество протонов в ядрах, объект считается заряженным положительно. Когда количество электронов и количество протонов равны, их заряды нейтрализуют друг друга, и объект считается электрически нейтральным. Макроскопическое тело может вырабатывать электрический заряд за счет трения и трибоэлектрического эффекта . ^[121]

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 обычно называют электронами в металлах и других твердых телах, являются квазиэлектронами - квазичастицами , которые имеют тот же электрический заряд, спин и магнитный момент, что и реальные электроны, но могут иметь другую массу. ^[122] Когда свободные электроны - как в вакууме, так и в металлах - движутся, они создают чистый поток заряда, называемый электрическим током , который создает магнитное поле. Точно так же ток может создаваться изменяющимся магнитным полем. Эти взаимодействия математически описываются уравнениями Максвелла . ^[123]

При заданной температуре каждый материал обладает электропроводностью, которая определяет величину электрического тока при приложении электрического потенциала . Примеры хороших проводников включают металлы, такие как медь и золото, тогда как стекло и тефлон являются плохими проводниками. В любом диэлектрическом материале электроны остаются связанными со своими соответствующими атомами, и материал ведет себя как изолятор . Большинство полупроводников имеют переменный уровень проводимости, который находится между крайними значениями проводимости и изоляции. ^[124] С другой стороны, металлы имеют электронную зонную структуру.содержащие частично заполненные электронные ленты. 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 перемещаться, как газ (называемый ферми-газом ) ^[125], сквозь 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 в токах в других частях материала, скорость распространения , обычно составляет около 75% скорости света. ^[126] Это происходит потому, что электрические сигналы распространяются как волна, скорость которой зависит от диэлектрической проницаемости материала. ^[127]

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 почти не зависит от температуры. Это выражается математически законом Видемана-Франца , ^[125] , который гласит , что отношение теплопроводности к электропроводности пропорциональна температуре. Тепловой беспорядок в металлической решетке увеличивает удельное электрическое сопротивление материала, создавая температурную зависимость электрического тока. ^[128]

При охлаждении ниже точки, называемой критической температурой , материалы могут претерпевать фазовый переход, при котором они теряют все сопротивление электрическому току, в процессе, известном как сверхпроводимость . В теории BCS пары электронов, называемые куперовскими парами, связаны своим движением с соседним веществом через колебания решетки, называемые фононами , тем самым избегая столкновений с атомами, которые обычно создают электрическое сопротивление. ^[129] (Куперовские пары имеют радиус примерно 100 нм, поэтому они могут перекрывать друг друга.) ^[130] Однако механизм, с помощью которого работают сверхпроводники с более высокими температурами, 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 других квазичастиц : спиноны , орбитоны и холоны . ^{[131] [132]} Первый несет спин и магнитный момент, следующий несет свою орбитальную позицию, а второй - электрический заряд.

Движение и энергия [ править ]

Согласно эйнштейновской теории относительности , как скорость электрона приближается к скорости света , с точки наблюдателя зрения его релятивистская масса увеличивается, тем самым делая его более трудным для ускорения его изнутри кадра наблюдателя ссылки. Скорость электрона может подойти, но никогда не достигает, скорости света в вакууме, гр . 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 в среде со скоростью, превышающей скорость света. При взаимодействии со средой они генерируют слабый свет, называемый черенковским излучением . ^[133]

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

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

где m _e - масса электрона. Например, линейный ускоритель в Стэнфорде может ускорить электрон примерно до 51 ГэВ. ^[134] Поскольку электрон ведет себя как волна, при заданной скорости он имеет характерную длину волны де Бройля . Это определяется как λ _e  =  h / p, где h - постоянная Планка, а p - импульс. ^[51] Для вышеупомянутого электрона 51 ГэВ длина волны составляет около2,4 × 10 ⁻¹⁷  м , достаточно маленький, чтобы исследовать структуры, размер которых намного меньше атомного ядра. ^[135]

Формирование [ править ]

Теория Большого взрыва - наиболее широко распространенная научная теория, объясняющая ранние стадии эволюции Вселенной. ^[137] В течение первой миллисекунды 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:

γ +
γ
↔ е+ +
е^-

На этом этапе эволюции Вселенной поддерживалось равновесие между электронами, позитронами и фотонами. Однако по прошествии 15 секунд температура Вселенной упала ниже порога, при котором могло происходить электрон-позитронное образование. Большинство выживших электронов и позитронов аннигилировали друг друга, испуская гамма-излучение, которое на короткое время повторно нагрело Вселенную. ^[138]

По причинам, которые остаются неясными, во время процесса аннигиляции было превышение числа частиц над античастицами. Следовательно, выжило около одного электрона на каждый миллиард электрон-позитронных пар. Этот избыток соответствовал избытку протонов над антипротонами в состоянии, известном как барионная асимметрия , что привело к нулевому чистому заряду Вселенной. ^{[139] [140]} Выжившие протоны и нейтроны начали участвовать в реакциях друг с другом - в процессе, известном как нуклеосинтез , с образованием изотопов водорода и гелия со следовыми количествами лития . Этот процесс достиг своего пика примерно через пять минут. ^[141] Любые оставшиеся нейтроны подверглись отрицательномубета-распад с периодом полураспада около тысячи секунд, высвобождая при этом протон и электрон,

п → п +
е^-
+ νе

О следующем 300 000 -400 000  лет избыточные электроны оставались слишком энергичными, чтобы связываться с атомными ядрами . ^[142] За этим последовал период, известный как рекомбинация , когда образовались нейтральные атомы и расширяющаяся Вселенная стала прозрачной для излучения. ^[143]

Примерно через миллион лет после большого взрыва начало формироваться первое поколение звезд . ^[143] Внутри звезды звездный нуклеосинтез приводит к образованию позитронов в результате слияния ядер атомов. Эти частицы антивещества немедленно аннигилируют с электронами, испуская гамма-лучи. Конечный результат - постоянное уменьшение количества электронов и соответствующее увеличение количества нейтронов. Однако процесс звездной эволюции может привести к синтезу радиоактивных изотопов. Выбранные изотопы могут впоследствии подвергнуться отрицательному бета-распаду, испуская электрон и антинейтрино из ядра. ^[144] Примером может служить кобальт-60 ( ⁶⁰Со) изотоп, который распадается с образованием никеля-60 (⁶⁰
Ni
). ^[145]

В конце своей жизни звезда с массой более 20 солнечных может подвергнуться гравитационному коллапсу с образованием черной дыры . ^[146] Согласно классической физике , эти массивные звездные объекты обладают гравитационным притяжением , достаточно сильным, чтобы предотвратить выход чего-либо, даже электромагнитного излучения , за пределы радиуса Шварцшильда . Однако считается, что квантово-механические эффекты потенциально позволяют испускать излучение Хокинга на таком расстоянии. Считается, что электроны (и позитроны) создаются на горизонте событий этих звездных остатков..

Когда пара виртуальных частиц (таких как электрон и позитрон) создается вблизи горизонта событий, случайное пространственное позиционирование может привести к тому, что одна из них появится снаружи; этот процесс называется квантовым туннелированием . Гравитационный потенциал черной дыры может затем поставлять энергию , которая превращает эту виртуальную частицу в реальную частицу, что позволяет ему излучать далеко в космос. ^[147] Взамен другому члену пары дается отрицательная энергия, что приводит к чистой потере массы-энергии черной дырой. Скорость излучения Хокинга увеличивается с уменьшением массы, в конечном итоге заставляя черную дыру испаряться, пока, наконец, она не взорвется. ^[148]

Космические лучи - это частицы, путешествующие в космосе с высокими энергиями. Энергетические события до3,0 × 10 ²⁰  эВ . ^[149] Когда эти частицы сталкиваются с нуклонами в атмосфере Земли , образуется ливень частиц, включая пионы . ^[150] 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.

π- → μ- + νμ

Мюон, в свою очередь, может распадаться с образованием электрона или позитрона. ^[151]

μ^-
→
е^-
+ νе + νμ

Наблюдение [ править ]

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 электронной плотности, и они производят выбросы энергии, которые могут быть обнаружены с помощью радиотелескопов . ^[153]

Частота из фотона пропорциональна его энергии. Когда связанный электрон переходит между различными энергетическими уровнями атома, он поглощает или излучает фотоны с характерными частотами. Например, когда атомы облучаются источником с широким спектром, в спектре прошедшего излучения появляются отчетливые темные линии в местах, где соответствующая частота поглощается электронами атома. Каждый элемент или молекула отображает характерный набор спектральных линий, например спектральную серию водорода . При обнаружении спектроскопические измерения силы и ширины этих линий позволяют определить состав и физические свойства вещества. ^[154][155]

В лабораторных условиях взаимодействия отдельных электронов можно наблюдать с помощью детекторов частиц , которые позволяют измерять определенные свойства, такие как энергия, спин и заряд. ^[156] Разработка ловушек Пола и Пеннинга позволяет заряженным частицам удерживаться в небольшой области на длительное время. Это позволяет точно измерить свойства частиц. Например, в одном случае ловушка Пеннинга использовалась для удержания одного электрона в течение 10 месяцев. ^[157] Магнитный момент электрона был измерен с точностью до одиннадцати цифр, что в 1980 году было большей точностью, чем для любой другой физической постоянной. ^[158]

Первые видеоизображения распределения электронов по энергии были сняты группой из Лундского университета в Швеции в феврале 2008 года. Ученые использовали чрезвычайно короткие вспышки света, называемые аттосекундными импульсами, которые позволили впервые наблюдать движение электрона. ^{[159] [160]}

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 исходной структуры. ARPES можно использовать для определения направления, скорости и рассеяния электронов в материале. ^[161]

Плазменные приложения [ править ]

Пучки частиц [ править ]

При сварке используются электронные лучи . ^[163] Они позволяют плотности энергии до10 ⁷  Вт · см ^-2 при диаметре узкого фокуса 0,1–1,3 мм и обычно не требует присадочного материала. Этот метод сварки должен выполняться в вакууме, чтобы предотвратить взаимодействие электронов с газом до достижения своей цели, и его можно использовать для соединения проводящих материалов, которые в противном случае считались бы непригодными для сварки. ^{[164] [165]}

Электронно-лучевая литография (EBL) - это метод травления полупроводников с разрешением меньше микрометра . ^[166] Этот метод ограничен высокой стоимостью, низкой производительностью, необходимостью работать с пучком в вакууме и тенденцией электронов рассеиваться в твердых телах. Последняя проблема ограничивает разрешение примерно 10 нм. По этой причине EBL в основном используется для производства небольшого количества специализированных интегральных схем . ^[167]

Электронно-лучевая обработка используется для облучения материалов с целью изменения их физических свойств или стерилизации медицинских и пищевых продуктов. ^[168] Электронные пучки псевдоожижают или квазиплавкие стекла без значительного повышения температуры при интенсивном облучении: например, интенсивное электронное излучение вызывает уменьшение вязкости на много порядков величины и ступенчатое уменьшение ее энергии активации. ^[169]

Линейные ускорители частиц генерируют пучки электронов для лечения поверхностных опухолей при лучевой терапии . Электронная терапия может лечить такие поражения кожи, как базальноклеточные карциномы, потому что электронный луч проникает только на ограниченную глубину до поглощения, обычно до 5 см для энергии электронов в диапазоне 5–20 МэВ. Электронный луч можно использовать для лечения участков, подвергшихся облучению рентгеновскими лучами . ^{[170] [171]}

Ускорители элементарных частиц используют электрические поля для продвижения электронов и их античастиц к высоким энергиям. 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 . ^[i] Поляризованные электронные пучки могут быть полезны для различных экспериментов. Синхротронное излучение также может охлаждать электронные пучки, чтобы уменьшить разброс частиц по импульсам. Пучки электронов и позитронов сталкиваются при ускорении частиц до требуемых энергий; детекторы частиц наблюдают возникающие в результате выбросы энергии, которые физика частицисследования. ^[172]

Визуализация [ править ]

Дифракция низкоэнергетических электронов (ДМЭ) - это метод бомбардировки кристаллического материала коллимированным пучком электронов с последующим наблюдением за полученными дифракционными картинами для определения структуры материала. Требуемая энергия электронов обычно находится в диапазоне 20–200 эВ. ^[173] Метод дифракции высокоэнергетических электронов на отражение (RHEED) использует отражение пучка электронов, выпущенных под разными низкими углами, для характеристики поверхности кристаллических материалов. Энергия пучка обычно находится в диапазоне 8–20 кэВ, а угол падения составляет 1–4 °. ^{[174] [175]}

Электронный микроскоп направляет сфокусированный пучок электронов на образце. Некоторые электроны изменяют свои свойства, такие как направление движения, угол, относительную фазу и энергию, когда луч взаимодействует с материалом. Микроскопы могут регистрировать эти изменения в электронном луче для получения изображений материала с атомарным разрешением. ^[176] В синем свете обычные оптические микроскопы имеют ограниченное дифракцией разрешение около 200 нм. ^[177] Для сравнения, электронные микроскопы ограничены длиной волны де Бройля электрона. Эта длина волны, например, равна 0,0037 нм для электронов, ускоренных при напряжении 100 000 вольт . ^[178]Просвечивающий электронный микроскоп с коррекцией аберраций имеет разрешение менее 0,05 нм, что более чем достаточно для разрешения отдельных атомов. ^[179] 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: просвечивающие и сканирующие . Просвечивающие электронные микроскопы работают как диапроекторы : пучок электронов проходит через срез материала, а затем проецируется линзами на слайд фотографии или устройство с зарядовой связью . Сканирующие электронные микроскопы растерили точно сфокусированный электронный луч, как в телевизоре, по исследуемому образцу для получения изображения. Увеличение составляет от 100 × до 1000000 × или выше для обоих типов микроскопов. Сканирующий туннельный микроскописпользует квантовое туннелирование электронов из острого металлического наконечника в исследуемый материал и может создавать изображения его поверхности с атомарным разрешением. ^{[180] [181] [182]}

Другие приложения [ править ]

В лазере на свободных электронах (ЛСЭ) релятивистский электронный пучок проходит через пару ондуляторов , содержащих 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 с широким диапазоном частот, от микроволн до мягкого рентгеновского излучения. Эти устройства используются в производстве, связи и в медицинских целях, например в хирургии мягких тканей. ^[183]

Электроны играют важную роль в электронно-лучевых трубках , которые широко используются в качестве устройств отображения в лабораторных приборах, компьютерных мониторах и телевизорах . ^[184] В фотоумножителе каждый фотон, попадающий на фотокатод , вызывает лавину электронов, которая производит обнаруживаемый импульс тока. ^[185] Вакуумные лампы используют поток электронов для управления электрическими сигналами, и они сыграли решающую роль в развитии электронных технологий. Однако их в значительной степени вытеснили твердотельные устройства, такие как транзисторы . ^[186]

См. Также [ править ]

Заметки [ править ]

Ссылки [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

В Wikiquote есть цитаты, связанные с: Electron

В Wikisource есть текст статьи Electron из Британской энциклопедии 1911 года .

Викискладе есть медиафайлы по теме электронов .

• «Открытие электрона» . Центр истории физики. Американский институт физики .

• «Группа данных по частицам» . Калифорнийский университет.

• Бок, РК; Василеску, А. (1998). Краткое руководство по детекторам частиц (14-е изд.). Springer. ISBN 978-3-540-64120-9.

• Copeland, Ed. «Сферический электрон» . Шестьдесят символов . Brady Харан для Ноттингемского университета .