WikiDer > Электрон

Электрон

Водород атомные орбитали на разных энергетических уровнях. В более непрозрачных областях наиболее вероятно найти электрон в любой момент времени.
Сочинение	Элементарная частица[1]
Статистика	Фермионный
Поколение	Первый
Взаимодействия	Сила тяжести, электромагнитный, слабый
Символ	е− , β−
Античастица	Позитрон (также называемый антиэлектронным)
Теоретически	Ричард Лэминг (1838–1851),[2] Дж. Джонстон Стоуни (1874) и другие.[3][4]
Обнаруженный	Дж. Дж. Томсон (1897)[5]
Масса	9.1093837015(28)×10−31 кг[6] 5.48579909070(16)×10−4 ты[7] [1822.8884845(14)]−1 ты[а] 0.51099895000(15) МэВ /c2[6]
Средняя продолжительность жизни	стабильный (> 6.6×1028 год[8])
Электрический заряд	−1 е[b] −1.602176634×10−19 C[6] −4.80320451(10)×10−10 ESU
Магнитный момент	−1.00115965218091(26) μB[7]
Вращение	1/2
Слабый изоспин	LH: −1/2, RH: 0
Слабый гиперзаряд	LH: -1, RH: −2

В электрон это субатомная частица, символ
е⁻
или же
β⁻
, чей электрический заряд отрицательный элементарный заряд.^[9] Электроны принадлежат к первым поколение из лептон семейство частиц^[10] и обычно считаются элементарные частицы потому что у них нет известных компонентов или подструктуры.^[1] Электрон имеет масса это примерно 1/1836 что из протон.^[11] Квантовая механика свойства электрона включают в себя внутреннюю угловой момент (вращение) полуцелого значения, выраженного в единицах приведенная постоянная Планка, час. Существование фермионы, никакие два электрона не могут занимать одну и ту же квантовое состояние, в соответствии с Принцип исключения Паули.^[10] Как и все элементарные частицы, электроны проявляют свойства как частицы, так и волны: они могут сталкиваться с другими частицами и могут быть дифрагированный как свет. В волновые свойства электронов легче наблюдать с помощью экспериментов, чем с другими частицами, такими как нейтроны и протоны, потому что электроны имеют меньшую массу и, следовательно, более длинную длина волны де Бройля для заданной энергии.

Электроны играют важную роль во многих физический явления, такие как электричество, магнетизм, химия и теплопроводность, а также они участвуют в гравитационный, электромагнитный и слабый взаимодействия.^[12] Поскольку у электрона есть заряд, у него есть окружение. электрическое поле, и если этот электрон движется относительно наблюдателя, указанный наблюдатель будет наблюдать за ним, чтобы генерировать магнитное поле. Электромагнитные поля, создаваемые из других источников, будут влиять на движение электрона в соответствии с Закон силы Лоренца. Электроны излучают или поглощают энергию в виде фотоны когда они ускоряются. Лабораторные инструменты способны улавливать как отдельные электроны, так и электронная плазма за счет использования электромагнитных полей. Специальный телескопы может обнаруживать электронную плазму в космическом пространстве. Электроны участвуют во многих приложениях, таких как электроника, сварка, электронно-лучевые трубки, электронные микроскопы, радиационная терапия, лазеры, детекторы газовой ионизации и ускорители частиц.

Взаимодействие электронов с другими субатомными частицами представляет интерес в таких областях, как химия и ядерная физика. В Кулоновская сила взаимодействие между положительными протоны в атомные ядра и отрицательные электроны без, позволяет составить два, известные как атомы. Ионизация или различия в пропорциях отрицательных электронов по сравнению с положительными ядрами изменяют энергия связи атомной системы. Обмен или совместное использование электронов между двумя или более атомами является основной причиной химическая связь.^[13] В 1838 году британский натурфилософ Ричард Лэминг впервые выдвинул гипотезу о неделимой величине электрического заряда, чтобы объяснить химические свойства атомов.^[3] Ирландский физик Джордж Джонстон Стоуни назвал этот заряд «электроном» в 1891 г. Дж. Дж. Томсон и его команда британских физиков определили его как частицу в 1897 году.^[5] Электроны также могут участвовать в ядерные реакции, Такие как нуклеосинтез в звездах, где они известны как бета-частицы. Электроны могут быть созданы через бета-распад из радиоактивные изотопы и при столкновениях при высоких энергиях, например, когда космические лучи войти в атмосферу. В античастица электрона называется позитрон; он идентичен электрону, за исключением того, что несет электрический обвинять противоположного знака. Когда электрон сталкивается с позитроном, обе частицы могут быть уничтожен, производя гамма-луч фотоны.

История

Открытие эффекта электрической силы

В древние греки заметил это Янтарь при трении мехом привлекали мелкие предметы. Вместе с молния, это явление является одним из самых ранних зарегистрированных опытов человечества с электричество.^[14] В своем трактате 1600 г. De Magnete, английский ученый Уильям Гилберт придумал Новая латынь срок электрика, для обозначения веществ со свойствами, аналогичными свойствам янтаря, которые притягивают мелкие предметы после того, как их натерли.^[15] Обе электрический и электричество происходят от латинского ēlectrum (также корень одноименный сплав), которое произошло от греческого слова янтарь, ἤλεκτρον (ēlektron).

Обнаружение двух видов обвинений

В начале 1700-х годов французский химик Шарль Франсуа дю Фэй обнаружили, 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 электрические жидкости, стекловидное тело жидкость из стекла, натертого шелком и смолистый жидкость из янтаря натереть шерстью. Эти две жидкости могут нейтрализовать друг друга в сочетании.^[15][16] Американский ученый Эбенезер Киннерсли позже также независимо пришел к такому же выводу.^[17]:118 Десять лет спустя Бенджамин Франклин предположил, что электричество было не из разных типов электрической жидкости, а из одной электрической жидкости, показывающей избыток (+) или дефицит (-). Он дал им современные обвинять номенклатура положительных и отрицательных 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 развил идею о том, что атом состоит из ядра материи, окруженного субатомными частицами, имеющими единицу электрические заряды.^[2] С 1846 г. немецкий физик Уильям Вебер предположил, что электричество состоит из положительно и отрицательно заряженных жидкостей, и их взаимодействие регулируется закон обратных квадратов. Изучив феномен электролиз в 1874 г. ирландский физик Джордж Джонстон Стоуни предположил, что существует «одно определенное количество электричества», заряд одновалентный ион. Он смог оценить стоимость этого элементарного заряда. е посредством Законы 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 и положительные, и отрицательные заряды были разделены на элементарные части, каждая из которых «ведет себя как атомы электричества».^[3]

Стони изначально ввел термин электролион в 1881 году. Десять лет спустя он переключился на электрон чтобы описать эти элементарные заряды, написал в 1894 году: «... была произведена оценка действительного количества этой наиболее замечательной фундаментальной единицы электричества, для которой я с тех пор рискнул предложить название электрон". Предложение 1906 г. изменить на электрион не удалось, потому что Хендрик Лоренц предпочел сохранить электрон.^[21][22] Слово электрон это сочетание слов электрIC и яна.^[23] Суффикс -на который теперь используется для обозначения других субатомных частиц, таких как протон или нейтрон, в свою очередь, происходит от электрона.^[24][25]

Открытие свободных электронов вне вещества

Пучок электронов, отклоненных по кругу магнитным полем^[26]

При изучении электропроводности в разреженный газы в 1859 г., немецкий физик Юлиус Плюкер наблюдали, что фосфоресцентный свет, который был вызван излучением, испускаемым катодом, появлялся на стенке трубки рядом с катодом, и область фосфоресцирующего света могла перемещаться посредством приложения магнитного поля. В 1869 году ученик Плюккера Иоганн Вильгельм Хитторф обнаружили, 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 Юджин Гольдштейн показали, что лучи испускаются перпендикулярно поверхности катода, что позволяет различать лучи, испускаемые катодом, и свет лампы накаливания. Гольдштейн окрестил лучи катодные лучи.^[27][28]:393 Десятилетия экспериментальных и теоретических исследований катодных лучей были важны в Дж. Дж. Томсонвозможное открытие электронов.^[3]

В 1870-х годах английский химик и физик сэр Уильям Крукс разработал первую электронно-лучевую трубку с высокий вакуум внутри.^[29] Затем в 1874 году он показал, что катодные лучи могут вращать маленькое лопастное колесо, если поместить их на своем 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.^[27] В 1879 году он предположил, что эти свойства можно объяснить, рассматривая катодные лучи как состоящие из отрицательно заряженных газообразных частиц. молекулы в четвертом состоянии вещества, в котором длина свободного пробега частиц настолько велика, что столкновениями можно пренебречь.^{[28]:394–395}

Британский физик немецкого происхождения Артур Шустер расширил эксперименты Крукса, разместив металлические пластины параллельно катодным лучам и применив электрический потенциал между пластинами. Поле отклоняло лучи к положительно заряженной пластине, что еще раз свидетельствовало о том, что лучи несли отрицательный заряд. Измеряя величину отклонения для данного уровня Текущий, 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.^[27]

В 1892 г. Хендрик Лоренц предположил, что масса этих частиц (электронов) могла быть следствием их электрического заряда.^[30]

Дж. Дж. Томсон

Во время учебы естественно флуоресцентный полезных ископаемых в 1896 г., французский физик Анри Беккерель обнаружили, что они испускают излучение без какого-либо воздействия внешнего источника энергии. Эти радиоактивный материалы стали предметом большого интереса ученых, в том числе новозеландского физика. Эрнест Резерфорд кто обнаружил, что они испускают частицы. Он обозначил эти частицы альфа и бета, исходя из их способности проникать в материю.^[31] В 1900 году Беккерель показал, что бета-лучи, испускаемые радий могли отклоняться электрическим полем, и что их отношение массы к заряду было таким же, как у катодных лучей.^[32] Это свидетельство укрепило мнение о существовании электронов как компонентов атомов.^[33][34]

В 1897 г. британский физик Дж. Дж. Томсон с коллегами Джон С. Таунсенд и Х. А. Уилсон, провели эксперименты, показавшие, что катодные лучи действительно были уникальными частицами, а не волнами, атомами или молекулами, как считалось ранее.^[5] Томсон хорошо оценил оба обвинения. е и масса м, обнаружив, что частицы катодного луча, которые он назвал «корпускулами», имели, вероятно, одну тысячную массу наименее известного иона: водорода.^[5] Он показал, что их отношение заряда к массе, е/м, не зависела от материала катода. Он также показал, что отрицательно заряженные частицы, производимые радиоактивными материалами, нагретыми материалами и освещенными материалами, являются универсальными.^[5][35] Название "электрон" было принято для этих частиц научным сообществом, в основном благодаря поддержке Дж. Ф. Фитцджеральда, Дж. Лармора и Х. А. Лоренца.^[36]:273

Роберт Милликен

Заряд электрона более тщательно измерили американские физики. Роберт Милликен и Харви Флетчер в их капля нефти 1909 года, результаты которого были опубликованы в 1911 году. В этом эксперименте использовалось электрическое поле, чтобы предотвратить падение заряженной капли масла под действием 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, образовавшихся при электролизе, а в 1911 г. Абрам Иоффе, который независимо получил тот же результат, что и Милликен, используя заряженные микрочастицы металлов, а затем опубликовал свои результаты в 1913 году.^[37] 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.^[38]

Примерно в начале двадцатого века было обнаружено, что при определенных условиях быстро движущаяся заряженная частица вызывает конденсацию перенасыщенный водяной пар на своем пути. В 1911 г. Чарльз Уилсон использовал этот принцип для разработки своего камера тумана так что он мог сфотографировать следы заряженных частиц, таких как быстро движущиеся электроны.^[39]

Атомная теория

В Боровская модель атома, показывая состояния электрона с энергией квантованный по номеру n. Электрон, падающий на более низкую орбиту, испускает фотон, равный разнице энергий между орбитами.

К 1914 году эксперименты физиков Эрнест Резерфорд, Генри Мозли, Джеймс Франк и Густав Герц в значительной степени установили структуру атома как плотного ядро положительного заряда, окруженного электронами меньшей массы.^[40] В 1913 г. 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. Посредством этих квантованных орбит он точно объяснил спектральные линии атома водорода.^[41] Однако модель Бора не смогла учесть относительные интенсивности спектральных линий и не смогла объяснить спектры более сложных атомов.^[40]

Химические связи между атомами объяснялись Гилберт Ньютон Льюис, который в 1916 г. предложил Ковалентная связь между двумя атомами поддерживается парой электронов, разделенных между ними.^[42] Позже, в 1927 году, Вальтер Хайтлер и Фриц Лондон дал полное объяснение образования электронных пар и химической связи с точки зрения квантовая механика.^[43] 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».^[44] 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,^[43] которые, как известно, во многом повторяются в соответствии с периодический закон.^[45]

В 1924 г. австрийский физик Вольфганг Паули заметил, что подобная оболочке структура атома может быть объяснена набором из четырех параметров, которые определяют каждое квантовое энергетическое состояние, пока 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.^[46] Физический механизм объяснения четвертого параметра, имеющего два различных возможных значения, был предложен голландскими физиками. Сэмюэл Гоудсмит и Джордж Уленбек. В 1925 году они предположили, что электрон, помимо углового момента своей орбиты, обладает собственным угловым моментом и магнитный дипольный момент.^[40][47] Это аналогично вращению Земли вокруг своей оси, когда она вращается вокруг Солнца. Собственный угловой момент стал известен как вращение, и объяснил ранее загадочное расщепление спектральных линий, наблюдаемое с высоким разрешением спектрограф; это явление известно как тонкая структура расщепление.^[48]

Квантовая механика

В своей диссертации 1924 г. Исследования по теории квантов (Исследования по квантовой теории), французский физик Луи де Бройль выдвинул гипотезу, что всю материю можно представить как волна де Бройля в манере свет.^[49] То есть при соответствующих условиях электроны и другая материя проявляли бы свойства либо частиц, либо волн. В корпускулярные свойства частицы демонстрируются, когда показано, что она имеет локализованное положение в пространстве вдоль своей траектории в любой данный момент.^[50] Волнообразный характер света проявляется, например, когда луч света проходит через параллельные щели, создавая тем самым вмешательство узоры. В 1927 г. Джордж Пэджет Томсон обнаружили, что эффект интерференции возникает, когда пучок электронов проходит через тонкую металлическую фольгу, и американские физики Клинтон Дэвиссон и Лестер Гермер отражением электронов от кристалла никель.^[51]

В квантовой механике поведение электрона в атоме описывается орбитальный, которое представляет собой распределение вероятностей, а не орбиту. На рисунке штриховкой обозначена относительная вероятность «найти» электрон, имеющий энергию, соответствующую заданной квантовые числа, в таком случае.

Предсказание де Бройля о волновой природе электронов привело к Эрвин Шредингер Постулировать волновое уравнение для электронов, движущихся под действием ядра в атоме. В 1926 году это уравнение Уравнение Шредингера, успешно описал, как распространяются электронные волны.^[52] 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 определенным положением, особенно с положением рядом с тем местом, где электрон был связан в пространстве, для которого электрон волновые уравнения не менялись во времени. Этот подход привел ко второй формулировке квантовая механика (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.^[53] После того, как спин и взаимодействие между несколькими электронами стали доступными, квантовая механика позволила предсказать конфигурацию электронов в атомах с атомными номерами больше водорода.^[54]

В 1928 году, основываясь на работе Вольфганга Паули, Поль Дирак создал модель электрона - Уравнение Дирака, в соответствии с относительность теории, применяя релятивистские соображения и соображения симметрии к гамильтониан формулировка квантовой механики электромагнитного поля.^[55] Чтобы разрешить некоторые проблемы в рамках своего релятивистского уравнения, Дирак в 1930 году разработал модель вакуума как бесконечного моря частиц с отрицательной энергией, позже получившего название Море Дирака. Это привело его к предсказанию существования позитрона, антивещество двойник электрона.^[56] Эта частица была открыта в 1932 г. Карл Андерсон, который предложил назвать стандартные электроны негатоны и используя электрон как общий термин для описания как положительно, так и отрицательно заряженных вариантов.

В 1947 г. Уиллис Лэмб, работающий в сотрудничестве с аспирантом Роберт Ретерфорд, обнаружили, что определенные квантовые состояния атома водорода, которые должны иметь одинаковую энергию, сдвинуты относительно друг друга; разницу стали называть Баранина сдвиг. Примерно в то же время Поликарп Куш, работаю с Генри М. Фоли, обнаруженный магнитный момент электрона немного больше, чем предсказывает теория Дирака. Эта небольшая разница позже была названа аномальный магнитный дипольный момент электрона. Позднее это различие было объяснено теорией квантовая электродинамика, разработан Син-Итиро Томонага, Джулиан Швингер иРичард Фейнман в конце 1940-х гг.^[57]

Ускорители элементарных частиц

С развитием ускоритель частиц в первой половине двадцатого века физики начали глубже вникать в свойства субатомные частицы.^[58] Первая успешная попытка ускорить электроны с помощью электромагнитная индукция был изготовлен в 1942 г. Дональд Керст. Его начальный бетатрон достигали энергии 2,3 МэВ, а последующие бетатроны - 300 МэВ. В 1947 г. синхротронное излучение был обнаружен на электронном синхротроне на 70 МэВ на General Electric. Это излучение было вызвано ускорением электронов в магнитном поле, когда они двигались со скоростью, близкой к скорости света.^[59]

При энергии пучка 1,5 ГэВ первая высокоэнергетическая частица коллайдер был АДОНЕ, который начал работу в 1968 году.^[60] Это устройство ускоряло электроны и позитроны в противоположных направлениях, эффективно удваивая энергию их столкновения по сравнению с поражением статической мишени электроном.^[61] В Большой электрон-позитронный коллайдер (LEP) в ЦЕРН, который работал с 1989 по 2000 год, достиг энергии столкновения 209 ГэВ и провел важные измерения для Стандартная модель физики элементарных частиц.^[62][63]

Удержание отдельных электронов

Отдельные электроны теперь можно легко удерживать в сверхмалых (L = 20 нм, W = 20 нм) КМОП-транзисторы работали при криогенных температурах в диапазоне −269 ° C (4K) до примерно -258 ° C (15K).^[64] Волновая функция электрона распространяется в решетке полупроводника и незначительно взаимодействует с электронами валентной зоны, поэтому ее можно рассматривать в формализме одиночной частицы, заменив ее массу на тензор эффективных масс.

Характеристики

Классификация

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

в Стандартная модель физики элементарных частиц, электроны принадлежат к группе субатомных частиц, называемых лептоны, которые считаются фундаментальными или элементарные частицы. Электроны имеют самую низкую массу любого заряженного лептона (или электрически заряженной частицы любого типа) и относятся к первому типу.поколение элементарных частиц.^[65] Второе и третье поколения содержат заряженные лептоны, мюон и тау, которые идентичны заряженному электрону, вращение и взаимодействия, но более массивные. Лептоны отличаются от другого основного компонента материи, кваркииз-за отсутствия сильное взаимодействие. Все члены лептонной группы являются фермионами, поскольку все они имеют получетный целочисленный спин; у электрона есть спин 1/2.^[66]

Основные свойства

В инвариантная масса электрона примерно 9.109×10⁻³¹ килограммы,^[67] или же 5.489×10⁻⁴ атомные единицы массы. На основе Эйнштейнпринцип эквивалентность массы и энергии, эта масса соответствует энергии покоя 0,511 МэВ. Соотношение масс протон а электрона - около 1836 г.^[11][68] Астрономические измерения показывают, что отношение масс протона к электрону имеет ту же ценность, что и предсказывается Стандартной моделью, по крайней мере, для половины возраст вселенной.^[69]

Электроны имеют электрический заряд из −1.602176634×10⁻¹⁹ кулоны,^[67] который используется как стандартная единица заряда для субатомных частиц и также называется элементарный заряд. В пределах экспериментальной точности заряд электрона идентичен заряду протона, но с противоположным знаком.^[70] Как символ е используется для элементарный заряд, электрон обычно обозначается
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.^[66][67]

Электрон обладает внутренним угловой момент или вращение 1/2.^[67] Об этом свойстве обычно говорят, называя электрон вращение-1/2 частица.^[66] Для таких частиц величина спина равна час/2,^[71][d] а результат измерения проекция вращения на любой оси может быть только ±час/2. Помимо спина, у электрона есть собственная магнитный момент вдоль оси вращения.^[67] Это примерно равно одному Магнетон Бора,^[72][e] которая является физической постоянной, равной 9.27400915(23)×10⁻²⁴ джоули на тесла.^[67] Ориентация спина относительно импульса электрона определяет свойство элементарных частиц, известное как спиральность.^[73]

Электрон не знает основание.^[1][74]

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 собственная энергия стремящегося к бесконечности электрона.^[75] Наблюдение одиночного электрона в Ловушка Пеннинга предлагает верхний предел радиуса частицы равным 10⁻²² метров.^[76]Верхняя граница радиуса электрона 10⁻¹⁸ метры^[77] можно получить с помощью отношение неопределенности в энергии. Там является также физическая константа, называемая "классический радиус электрона", с гораздо большим значением 2.8179×10⁻¹⁵ м, больше радиуса протона. Однако терминология основана на упрощенном расчете, игнорирующем влияние квантовая механика; в действительности, так называемый классический радиус электрона имеет мало общего с истинной фундаментальной структурой электрона.^[78][79][f]

Есть элементарные частицы это спонтанно разлагаться на менее массивные частицы. Примером может служить мюон, с средняя продолжительность жизни из 2.2×10⁻⁶ секунд, который распадается на электрон, мюон нейтрино и электрон антинейтрино. С другой стороны, электрон считается стабильным на теоретических основаниях: электрон - наименее массивная частица с ненулевым электрическим зарядом, поэтому его распад нарушит сохранение заряда.^[80] Экспериментальная нижняя граница среднего времени жизни электрона равна 6.6×10²⁸ лет, на 90% уровень уверенности.^[8][81][82]

Квантовые свойства

Как и все частицы, электроны могут действовать как волны. Это называется дуальность волна-частица и может быть продемонстрировано с помощью двухщелевой эксперимент.

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 можно математически описать как сложный-значная функция волновая функция, обычно обозначаемый греческой буквой psi (ψ). Когда абсолютная величина этой функции в квадрате, это дает вероятность того, что частица будет наблюдаться вблизи некоторого местоположения - a плотность вероятности.^{[83]:162–218}

Пример антисимметричной волновой функции для квантового состояния два одинаковых фермиона в одномерном ящике. Если частицы меняются местами, волновая функция меняет знак.

Электроны идентичные частицы потому что их невозможно отличить друг от друга по внутренним физическим свойствам. В квантовой механике это означает, что пара взаимодействующих электронов должна иметь возможность поменяться 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(р₁, р₂) = −ψ(р₂, р₁), где переменные р₁ и р₂ соответствуют 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.^{[83]:162–218}

В случае антисимметрии решения волнового уравнения для взаимодействующих электронов приводят к нулевая вероятность что каждая пара будет занимать одно и то же место или состояние. Это отвечает за Принцип исключения Паули, что препятствует тому, чтобы любые два электрона занимали 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 все перекрывают друг друга на одной орбите.^{[83]:162–218}

Виртуальные частицы

В упрощенной картине, которая часто дает неверное представление, но может служить для иллюстрации некоторых аспектов, каждый фотон проводит некоторое время как комбинация виртуального электрона плюс его античастица, виртуальный позитрон, который быстро уничтожать друг друга вскоре после этого.^[84] Комбинация изменения энергии, необходимой для создания этих частиц, и времени, в течение которого они существуют, подпадают под порог обнаруживаемости, выраженный Соотношение неопределенностей Гейзенберга, ΔE · Δт ≥ час. Фактически, энергия, необходимая для создания этих виртуальных частиц, ΔE, можно «позаимствовать» из вакуум за период времени Δт, так что их продукт не более чем приведенная постоянная Планка, час ≈ 6.6×10⁻¹⁶ эВ · с. Таким образом, для виртуального электрона Δт самое большее 1.3×10⁻²¹ s.^[85]

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

Пока существует виртуальная пара электрон-позитрон, Кулоновская сила из окружающей среды электрическое поле окружение электрона заставляет созданный позитрон притягиваться к исходному электрону, в то время как созданный электрон испытывает отталкивание. Это вызывает то, что называется поляризация вакуума. Фактически вакуум ведет себя как среда, имеющая диэлектрическая проницаемость больше, чем единство. Таким образом, эффективный заряд электрона на самом деле меньше его истинного значения, и заряд уменьшается с увеличением расстояния от электрона.^[86][87] Эта поляризация была подтверждена экспериментально в 1997 г. с использованием японской ТРИСТАН ускоритель частиц.^[88] Виртуальные частицы вызывают сравнимую защитный эффект для массы электрона.^[89]

Взаимодействие с виртуальными частицами также объясняет небольшое (около 0,1%) отклонение собственного магнитного момента электрона от магнетона Бора ( аномальный магнитный момент).^[72][90] Чрезвычайно точное совпадение этой предсказанной разницы с экспериментально определенной величиной рассматривается как одно из величайших достижений квантовая электродинамика.^[91]

Очевидный парадокс в классическая физика электрона точечной частицы, имеющего собственный угловой момент и магнитный момент, можно объяснить образованием виртуальные фотоны в электрическом поле, создаваемом электроном. Эти фотоны заставляют электрон нервно перемещаться (известное как zitterbewegung),^[92] что приводит к чистому круговому движению с прецессия. Это движение вызывает как спин, так и магнитный момент электрона.^[10][93] В атомах это создание виртуальных фотонов объясняет Баранина сдвиг наблюдается в спектральные линии.^[86] 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

Электрон создает 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 соотношением Закон обратных квадратов Кулона.^{[94](стр. 58–61)} Когда электрон находится в движении, он генерирует магнитное поле.^[83](p140) В Закон Ампера-Максвелла связывает магнитное поле с массовым движением электронов ( Текущий) по отношению к наблюдателю. Это свойство индукции создает магнитное поле, которое приводит в движение электрический двигатель.^[95] Электромагнитное поле произвольной движущейся заряженной частицы выражается Потенциалы Льенара – Вихерта, которые справедливы, даже когда скорость частицы близка к скорости света (релятивистский).^{[94](стр. 429–434)}

Частица с зарядом q (слева) движется со скоростью v через магнитное поле B ориентированный на зрителя. Для электрона q отрицательный, поэтому он следует изогнутой траектории к вершине.

Когда электрон движется в магнитном поле, он подвергается воздействию Сила Лоренца который действует перпендикулярно плоскости, определяемой магнитным полем и скоростью электронов. Этот центростремительная сила заставляет электрон следовать спиральный траектория через поле на радиусе, называемом гирорадиус. Ускорение от этого искривленного движения заставляет электрон излучать энергию в виде синхротронного излучения.^{[96][грамм][83](p160)} Излучение энергии, в свою очередь, вызывает отдачу электрона, известную как Сила Абрахама – Лоренца – Дирака, которое создает трение, замедляющее электрон. Эта сила вызвана обратная реакция собственного поля электрона на себя.^[97]

Здесь тормозное излучение создается электроном. е отклоняется электрическим полем атомного ядра. Изменение энергии E₂ − E₁ определяет частоту ж испускаемого фотона.

Фотоны опосредуют электромагнитные взаимодействия между частицами в квантовая электродинамика. Изолированный электрон с постоянной скоростью не может испустить или поглотить настоящий фотон; это нарушит сохранение энергии и импульс. Вместо этого виртуальные фотоны могут передавать импульс между двумя заряженными частицами. Этот обмен виртуальными фотонами, например, генерирует кулоновскую силу.^[98] Излучение энергии может происходить, когда движущийся электрон отклоняется заряженной частицей, например протоном. Ускорение электрона приводит к испусканию Тормозное излучение радиация.^[99]

Неупругое столкновение фотона (света) с уединенным (свободным) электроном называется Комптоновское рассеяние. Это столкновение приводит к передаче импульса и энергии между частицами, что изменяет длину волны фотона на величину, называемую Комптоновский сдвиг.^[час] Максимальная величина этого сдвига длины волны составляет час/м_еc, который известен как Комптоновская длина волны.^[100] Для электрона он имеет значение 2.43×10⁻¹² м.^[67] Когда длина волны света большая (например, длина волны видимый свет составляет 0,4–0,7 мкм) сдвиг длины волны становится незначительным. Такое взаимодействие между светом и свободными электронами называется Томсоновское рассеяние или линейное рассеяние Томсона.^[101]

Относительная сила электромагнитного взаимодействия между двумя заряженными частицами, такими как электрон и протон, определяется выражением постоянная 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. Это дается α ≈ 7.297353×10⁻³, что примерно равно 1/137.^[67]

Когда электроны и позитроны сталкиваются, они уничтожать друг друга, порождая два или более гамма-фотонов. Если электрон и позитрон имеют пренебрежимо малый импульс, a атом позитрония может образоваться до того, как аннигиляция приведет к образованию двух или трех гамма-квантов с суммарной энергией 1,022 МэВ.^[102][103] С другой стороны, фотон высокой энергии может превращаться в электрон и позитрон с помощью процесса, называемого парное производство, но только в присутствии соседней заряженной частицы, например ядра.^[104][105]

В теории электрослабое взаимодействие, то левша составляющая волновой функции электрона образует слабый изоспин дублет с электронное нейтрино. Это означает, что во время слабые взаимодействия, электронные нейтрино ведут себя как электроны. Любой член этого дублета может пройти заряженный ток взаимодействие путем испускания или поглощения
W
и 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. Заряженные текущие взаимодействия ответственны за феномен бета-распад в радиоактивный атом. И электронное, и электронное нейтрино могут подвергаться нейтральный ток взаимодействие через
Z⁰
обмен, и это отвечает за нейтрино-электронный упругое рассеяние.^[106]

Атомы и молекулы

Плотности вероятностей для первых нескольких орбиталей атомов водорода, видимые в поперечном сечении. Уровень энергии связанного электрона определяет занимаемую им орбиталь, а цвет отражает вероятность нахождения электрона в заданном положении.

Электрон может быть граница к ядру 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 ион. Волновое поведение связанного электрона описывается функцией, называемой атомная орбиталь. 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 на каждой орбитали могут находиться до двух электронов, которые должны различаться по своему квантовое число спина.

Электроны могут перемещаться между разными орбиталями за счет испускания или поглощения фотонов с энергией, соответствующей разнице потенциалов.^{[107]:159–160} Другие методы орбитального переноса включают столкновения с частицами, такими как электроны, и Эффект оже.^[108] Чтобы покинуть атом, энергия электрона должна быть выше его энергии. энергия связи к атому. Это происходит, например, с фотоэлектрический эффект, где падающий фотон превышает атомную энергия ионизации поглощается электроном.^{[107]:127–132}

Орбитальный угловой момент электронов равен квантованный. 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 ничтожен по сравнению с магнитным моментом электронов. Магнитные моменты электронов, находящихся на одной орбитали (так называемые парные электроны), компенсируют друг друга.^[109]

В химическая связь между атомами происходит в результате электромагнитных взаимодействий, как описано законами квантовой механики.^[110] Самые прочные связи образуют обмен или же передача электронов между атомами, что позволяет образовывать молекулы.^[13] Внутри молекулы электроны движутся под действием нескольких ядер и занимают молекулярные орбитали; настолько, насколько они могут занимать атомные орбитали в изолированных атомах.^[111] Фундаментальным фактором в этих молекулярных структурах является наличие электронные пары. 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 (то есть 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.^[112]

Проводимость

А молния разряд состоит в основном из потока электронов.^[113] Электрический потенциал, необходимый для молнии, может быть создан за счет трибоэлектрического эффекта.^[114][115]

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 компенсируют друг друга, и объект считается электрически нейтральным. Макроскопическое тело может вырабатывать электрический заряд за счет трения трибоэлектрический эффект.^[116]

Независимые электроны, движущиеся в вакууме, называются свободный электроны. Электроны в металлах также ведут себя так, как если бы они были свободными. В действительности частицы, которые обычно называют электронами в металлах и других твердых телах, являются квазиэлектронами:квазичастицы, которые имеют тот же электрический заряд, спин и магнитный момент, что и реальные электроны, но могут иметь другую массу.^[117] Когда свободные электроны - как в вакууме, так и в металлах - движутся, они производят поток данных, передающихся по сети заряда называется электрический ток, который генерирует магнитное поле. Точно так же ток может создаваться изменяющимся магнитным полем. Эти взаимодействия математически описываются Уравнения Максвелла.^[118]

При заданной температуре каждый материал имеет электрическая проводимость который определяет величину электрического тока при электрический потенциал применяется. Примеры хороших проводников включают металлы, такие как медь и золото, тогда как стекло и Тефлон плохие проводники. В любом диэлектрик материала, электроны остаются связанными со своими соответствующими атомами, и материал ведет себя как изолятор. Наиболее полупроводники имеют переменный уровень проводимости, который находится между крайними значениями проводимости и изоляции.^[119] С другой стороны, металлы есть электронная зонная структура содержащие частично заполненные электронные ленты. Наличие таких полос позволяет электронам в металлах вести себя так, как если бы они были свободными или свободными. делокализованные электроны. Эти электроны не связаны с конкретными атомами, поэтому при приложении электрического поля они могут свободно перемещаться, как газ (так называемый Ферми газ)^[120] сквозь материал, как свободные электроны.

Из-за столкновений электронов с 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.^[121] Это происходит потому, что электрические сигналы распространяются как волна со скоростью, зависящей от диэлектрическая постоянная материала.^[122]

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. Математически это выражается Закон Видемана – Франца,^[120] который утверждает, что отношение теплопроводность к электропроводности пропорциональна температуре. Тепловой беспорядок в металлической решетке увеличивает электрическую удельное сопротивление материала, создавая температурную зависимость электрического тока.^[123]

При охлаждении ниже точки, называемой критическая температура, материалы могут претерпевать фазовый переход, при котором они теряют все удельное сопротивление электрическому току, в процессе, известном как сверхпроводимость. В Теория BCSпары электронов, называемые Куперовские пары их движение связано с близлежащей материей через колебания решетки, называемые фононы, тем самым избегая столкновений с атомами, которые обычно создают электрическое сопротивление.^[124] (Куперовские пары имеют радиус примерно 100 нм, поэтому они могут перекрывать друг друга.)^[125] Однако механизм, с помощью которого высокотемпературные сверхпроводники работа остается неопределенной.

Электроны внутри проводящих твердых тел, которые сами являются квазичастицами, когда они плотно удерживаются при температурах, близких к абсолютный ноль, ведут себя так, как будто они разделились на три других квазичастицы: спиноны, орбитоны и холоны.^[126][127] Первый несет спин и магнитный момент, следующий несет свою орбитальную позицию, а второй - электрический заряд.

Движение и энергия

В соответствии с Эйнштейна теория специальная теория относительности, когда скорость электрона приближается к скорость света, с точки зрения наблюдателя его релятивистская масса увеличивается, тем самым делая его все более и более трудным для ускорения изнутри системы отсчета наблюдателя. Скорость электрона может приближаться к скорости света в вакууме, но никогда не достигать ее. c. Однако когда релятивистские электроны, то есть электроны, движущиеся со скоростью, близкой к c- вводятся в диэлектрическую среду, такую ​​как вода, где местная скорость света значительно меньше c, электроны временно перемещаются в среде со скоростью, превышающей скорость света. При взаимодействии со средой они излучают слабый свет, называемый Черенковское излучение.^[128]

Фактор Лоренца как функция скорости. Он начинается со значения 1 и уходит в бесконечность, как v подходы c.

Эффекты специальной теории относительности основаны на величине, известной как Фактор Лоренца, определяется как ${displaystyle scriptstyle gamma = 1 / {sqrt {1- {v ^ {2}} / {c ^ {2}}}}}$ куда v это скорость частицы. Кинетическая энергия K_е электрона, движущегося со скоростью v является:

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

куда м_е это масса электрона. Например, Стэнфордский линейный ускоритель может ускоряться электрон примерно до 51 ГэВ.^[129]Поскольку электрон ведет себя как волна, при данной скорости он имеет характерную длина волны де Бройля. Это дается λ_е = час/п куда час это Постоянная Планка и п это импульс.^[49] Для электрона с энергией 51 ГэВ, указанного выше, длина волны составляет около 2.4×10⁻¹⁷ мдостаточно малы, чтобы исследовать структуры, размер которых значительно меньше атомного ядра.^[130]

Формирование

Производство пар электрона и позитрона, вызванного близким сближением фотона с ядром атома. Символ молнии представляет собой обмен виртуальным фотоном, при этом действует электрическая сила. Угол между частицами очень маленький.^[131]

В Большой взрыв Теория - это наиболее широко распространенная научная теория, объясняющая ранние стадии эволюции Вселенной.^[132] В течение первой миллисекунды Большого взрыва температуры были более 10 миллиардовкельвины и фотоны имели среднюю энергию более миллиона 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⁻

Равновесие между электронами, позитронами и фотонами поддерживалось на этом этапе эволюции Вселенной. 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.^[133]

По причинам, которые остаются невыясненными, 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, в результате чего чистый заряд для Вселенной равен нулю.^[134][135] Выжившие протоны и нейтроны начали участвовать в реакциях друг с другом - в процессе, известном как нуклеосинтез, образуя изотопы водорода и гелий, со следовыми количествами литий. Этот процесс достиг своего пика примерно через пять минут.^[136] Любые оставшиеся нейтроны подверглись отрицательному бета-распад с периодом полураспада около тысячи секунд, высвобождая протон и электрон в процессе,

п
→
п
+
е⁻
+
ν
_е

О следующем 300000–400000 годы, избыточные электроны оставались слишком энергичными, чтобы связываться с атомные ядра.^[137] За этим последовал период, известный как рекомбинация, когда образовались нейтральные атомы и расширяющаяся Вселенная стала прозрачной для излучения.^[138]

Примерно через миллион лет после большого взрыва первое поколение звезды начал формироваться.^[138] 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 - неуклонное уменьшение количества электронов и соответствующее увеличение количества нейтронов. Однако процесс звездная эволюция может привести к синтезу радиоактивных изотопов. Выбранные изотопы могут впоследствии подвергнуться отрицательному бета-распаду, испуская электрон и антинейтрино из ядра.^[139] Примером может служить кобальт-60 (⁶⁰Со) изотоп, который распадается с образованием никель-60 (⁶⁰
Ni
).^[140]

Расширенный атмосферный ливень, создаваемый энергетическим космическим лучом, падающим на атмосферу Земли.

В конце жизни звезда с более чем 20 солнечные массы может пройти гравитационный коллапс сформировать черная дыра.^[141] В соответствии с классическая физика, эти массивные звездные объекты гравитационное притяжение достаточно силен, чтобы предотвратить что угодно, даже электромагнитное излучение, от побега мимо Радиус Шварцшильда. Однако считается, что квантово-механические эффекты потенциально допускают испускание Радиация Хокинга на таком расстоянии. Считается, что электроны (и позитроны) создаются в горизонт событий из этих звездные остатки.

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 квантовое туннелирование. В гравитационный потенциал черной дыры может затем поставлять энергию, которая превращает эту виртуальную частицу в реальную частицу, позволяя ей улетучиваться в космос.^[142] 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.^[143]

Космические лучи частицы, путешествующие в космосе с высокими энергиями. Энергетические события до 3.0×10²⁰ эВ были записаны.^[144] Когда эти частицы сталкиваются с нуклонами в Атмосфера Земли, образуется ливень частиц, в том числе пионы.^[145] Более половины космического излучения, наблюдаемого с поверхности Земли, состоит из мюоны. Частица, называемая мюоном, представляет собой лептон, образующийся в верхних слоях атмосферы при распаде пиона.

π⁻
→
μ⁻
+
ν
_μ

Мюон, в свою очередь, может распадаться с образованием электрона или позитрона.^[146]

μ⁻
→
е⁻
+
ν
_е +
ν
_μ

Наблюдение

Аврора в основном вызваны высыпанием энергичных электронов в атмосфера.^[147]

Дистанционное наблюдение электронов требует регистрации их излучаемой энергии. Например, в высокоэнергетических средах, таких как корона звезды свободные электроны образуют плазма который излучает энергию из-за Тормозное излучение радиация. Электронный газ может подвергаться плазменное колебание, который представляет собой волны, вызванные синхронизированными изменениями электронной плотности, и они производят выбросы энергии, которые можно обнаружить с помощью радиотелескопы.^[148]

В частота из фотон пропорциональна его энергии. Когда связанный электрон переходит между различными энергетическими уровнями атома, он поглощает или испускает фотоны с характерными частотами. Например, когда атомы облучаются источником с широким спектром, отчетливые темные линии появляются в спектре прошедшего излучения в местах, где соответствующая частота поглощается электронами атома. Каждый элемент или молекула отображает характерный набор спектральных линий, таких как спектральная серия водорода. При обнаружении спектроскопический измерения силы и ширины этих линий позволяют определить состав и физические свойства вещества.^[149][150]

В лабораторных условиях взаимодействие отдельных электронов можно наблюдать с помощью детекторы частиц, которые позволяют измерять определенные свойства, такие как энергия, спин и заряд.^[151] Развитие Пол ловушка и Ловушка Пеннинга позволяет заряженным частицам удерживаться в небольшой области в течение длительного времени. Это позволяет точно измерить свойства частиц. Например, в одном случае ловушка Пеннинга использовалась для удержания одного электрона в течение 10 месяцев.^[152] Магнитный момент электрона измерялся с точностью до одиннадцати цифр, что в 1980 году было большей точностью, чем для любой другой физической постоянной.^[153]

Первые видеоизображения распределения электронов по энергии были сняты командой в Лундский университет в Швеции, февраль 2008 г. Ученые использовали чрезвычайно короткие вспышки света, названные аттосекунда импульсы, которые позволили впервые наблюдать движение электрона.^[154][155]

Распределение электронов в твердых материалах можно визуализировать с помощью фотоэмиссионная спектроскопия с угловым разрешением (ARPES). В этом методе используется фотоэлектрический эффект для измерения взаимное пространство- математическое представление периодических структур, которое используется для вывода исходной структуры. ARPES можно использовать для определения направления, скорости и рассеяния электронов в материале.^[156]

Плазменные приложения

Пучки частиц

Во время НАСА аэродинамическая труба тест, модель Космический шатл нацеливается пучком электронов, моделируя эффект ионизирующий газы во время возвращение.^[157]

Электронные пучки используются в сварка.^[158] Они позволяют плотности энергии до 10⁷ Вт · см⁻² через узкий диаметр 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 своей цели, и его можно использовать для соединения проводящих материалов, которые в противном случае считались бы непригодными для сварки.^[159][160]

Электронно-лучевая литография (EBL) - это метод травления полупроводников с разрешением меньше микрометр.^[161] 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 до 10 нм. По этой причине EBL в основном используется для производства небольшого количества специализированных интегральные схемы.^[162]

Электронно-лучевая обработка используется для облучения материалов с целью изменения их физических свойств или стерилизовать медицинские и пищевые продукты.^[163] Электронные пучки псевдоожижают или квазиплавятся стекла без значительного повышения температуры при интенсивном облучении: например, интенсивное электронное излучение вызывает на много порядков уменьшение вязкости и скачкообразное уменьшение ее энергии активации.^[164]

Линейные ускорители частиц генерировать электронные лучи для лечения поверхностных опухолей в радиационная терапия. Электронная терапия может лечить такие поражения кожи, как базальноклеточные карциномы потому что электронный пучок проникает только на ограниченную глубину до поглощения, обычно до 5 см для энергии электронов в диапазоне 5–20 МэВ. Электронный пучок может использоваться в качестве дополнения к обработке участков, подвергшихся облучению. Рентгеновские лучи.^[165][166]

Ускорители элементарных частиц использовать электрические поля для продвижения электронов и их античастиц к высоким энергиям. Эти частицы испускают синхротронное излучение, проходя через магнитные поля. Зависимость интенсивности этого излучения от спина поляризует электронный пучок - процесс, известный как Эффект Соколова – Тернова.^[я] Поляризованные электронные пучки могут быть полезны для различных экспериментов. Синхротрон радиация также может прохладно электронные лучи, чтобы уменьшить импульсный разброс частиц. Пучки электронов и позитронов сталкиваются при ускорении частиц до требуемых энергий; детекторы частиц наблюдайте за выбросами энергии, которые физика элементарных частиц исследования.^[167]

Изображения

Дифракция низкоэнергетических электронов (LEED) - это метод бомбардировки кристаллического материала коллимированный пучок электронов, а затем наблюдая за полученными дифракционными картинами, чтобы определить структуру материала. Требуемая энергия электронов обычно находится в диапазоне 20–200 эВ.^[168] В отражение дифракция быстрых электронов Метод (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 °.^[169][170]

В электронный микроскоп направляет сфокусированный пучок электронов на образец. 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.^[171] В синем свете обычный оптические микроскопы имеют дифракционно ограниченное разрешение около 200 нм.^[172] Для сравнения: электронные микроскопы ограничены длина волны де Бройля электрона. Эта длина волны, например, равна 0,0037 нм для электронов, ускоренных на 100000-вольт потенциал.^[173] В Просвечивающий электронный микроскоп с коррекцией аберрации имеет разрешение менее 0,05 нм, что более чем достаточно для разрешения отдельных атомов.^[174] 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: коробка передач и сканирование. Просвечивающие электронные микроскопы работают как диапроекторы, с пучком электронов, проходящим через срез материала, который затем проецируется линзами на фотографический слайд или устройство с зарядовой связью. Сканирующие электронные микроскопы растери точно сфокусированный электронный луч, как в телевизоре, поперек исследуемого образца для получения изображения. Увеличение составляет от 100 × до 1000000 × или выше для обоих типов микроскопов. В сканирующий туннельный микроскоп использует квантовое туннелирование электронов из острого металлического наконечника в исследуемый материал и может создавать изображения его поверхности с атомарным разрешением.^{[175][176][177]}

Другие приложения

в лазер на свободных электронах (FEL), а релятивистский электронный пучок проходит через пару ондуляторы которые содержат массивы дипольные магниты чьи поля указывают в чередующихся направлениях. Электроны испускают синхротронное излучение, которое связно взаимодействует с теми же электронами, чтобы сильно усилить поле излучения на резонанс частота. ЛСЭ может излучать когерентный высокийблеск электромагнитное излучение с широким диапазоном частот, от микроволны мягким рентгеновским лучам. Эти устройства используются в производстве, связи и в медицинских целях, например в хирургии мягких тканей.^[178]

Электроны важны в электронно-лучевые трубки, которые широко используются в качестве устройств отображения в лабораторных приборах, компьютерные мониторы и телевизионные наборы.^[179] В фотоумножитель трубка, каждый фотон попадает в фотокатод инициирует лавину электронов, которая производит регистрируемый импульс тока.^[180] Вакуумные трубки использовать поток электронов для управления электрическими сигналами, и они сыграли решающую роль в развитии электронных технологий. Однако они были в значительной степени вытеснены твердотельные устройства такой как транзистор.^[181]

Смотрите также

Примечания

Рекомендации

внешняя ссылка

В Wikiquote есть цитаты, связанные с: Электрон

Wikisource есть текст 1911 Британская энциклопедия статья Электрон.

Викискладе есть медиафайлы по теме Электроны.

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

• «Группа данных по частицам». Калифорнийский университет.

• Bock, R.K .; Василеску, А. (1998). Краткое руководство по детектору частиц (14-е изд.). Springer. ISBN 978-3-540-64120-9.

• Copeland, Ed. «Сферический электрон». Шестьдесят символов. Брэди Харан для Ноттингемский университет.