електрон

От Уикипедия, свободната енциклопедия
Отидете на навигация Отидете на търсене
електрон ( )
Вероятна картина на местоположението на единичен електрон в атом
Вероятна картина на местоположението на единичен електрон в атом
Съединение фундаментална частица
Семейство Фермион
Група Лептън
Участва във взаимодействията гравитационни [1] , слаби и електромагнитни
Античастица позитрон
Тегло

9.1093837015 (28) ⋅10 −31 kg [2] ,
0,51099895000 (15) MeV [2] ,

5,48579909065 (16) ⋅10 -4 amu [2]
Живот ∞ (най-малко 6,6⋅10 28 години [3] [4] )
Квантови числа
Електрически заряд −1,6021766208 (98) ⋅10 −19 C [2]
Барионно число 0
Лептоново число +1
Завъртете 1/2 ħ
Магнитен момент −9,2847647043 (28) ⋅10 −24 J / T [2]
Вътрешен паритет +1
Изотопно въртене 0
Лого на Wikimedia Commons Медийни файлове в Wikimedia Commons

Електронът (от старогръцки. Ἤλεκτρονкехлибар[5] ) е стабилна отрицателно заредена елементарна частица . Тя се счита за фундаментална (която, доколкото е известно, няма съставни части) и е една от основните структурни единици на материята. Той е класифициран като фермион (има спин ½) и като лептон . Единственият (заедно със своята античастица - позитрон ) от известните заредени лептони, който е стабилен. Електроните образуват електронни обвивки на атоми , чиято структура определя повечето от оптичните, електрическите, магнитните, механичните, химичните свойства на веществото [6] . Движението на електроните определя потока на електрически ток в много проводници (по-специално в метали ). В рационална система от единици дължината на вълната на комптон на електрона е единица дължина, а масата на електрона е единица маса.

Имоти

Зарядът на електрона е директно измерен в експериментите на A.F. Ioffe ( 1913 ) и R. Milliken ( 1911 ). Сегашната стойност на заряда на електрона се определя точно като −1,602176634⋅10 −19 C [2] , или −4,803204712570263⋅10 −10 единици. зареждане на CGSE (точно) в системата CGSE , или −1,602176634⋅10 −20 единици. SGSM (точно) в системата SGSM . През 2019 г. базовите единици на SI бяха свързани с фундаментални константи; по-специално, кулонът е свързан с елементарен електрически заряд , следователно числената стойност на заряда на електрона по дефиниция има абсолютна точност и се посочва без грешка [7] . Зарядът на електрона, взет в абсолютна стойност, служи като единица за измерване на електрическия заряд на други елементарни частици.

kg [2] е масата на електрона.
Cl [2] е зарядът на електрона.
C / kg [2] - специфичен заряд на електрон.
- спин на електрона в единици

За разлика от повечето други известни на науката частици, електронът е стабилен (по-точно, в рамките на чувствителността на експеримента, неговият живот е най-малко 6,6⋅10 28 години с 90% ниво на доверие [3] ). Разпадането на свободен електрон в неутрино и фотони е забранено от закона за запазване на електрическия заряд , а разпадането в други елементарни частици се предотвратява от закона за запазване на енергията .

Съвременната наука разглежда електрона като фундаментална елементарна частица, която няма вътрешна структура и размер [8] . Експериментите за свръхпрецизно определяне на магнитния момент на електрона ( Нобелова награда през 1989 г.) показват, че размерът на електрона не надвишава 10–20 cm [9] [10] . Извършените по-рано експерименти върху сблъсъци на високоенергийни електрони дадоха по-грубо ограничение за размера: 10–17 cm [11] .

Вътрешният паритет на електрона е +1 [12] . Електронът участва в слаби , електромагнитни и гравитационни взаимодействия. Примери за участие на електрон в слаби взаимодействия са бета разпад и улавяне на електрони . Той принадлежи към групата на лептоните и е (заедно със своята античастица, позитрон ) най-лекият от заредените лептони и най-леката елементарна частица с електрически заряд. Преди откриването на масата на неутриното , електронът се смяташе за най-лекия от масивните частици - неговата маса е около 1836 пъти по-малка от масата на протона . Спинът на електрона е 1 2 и следователно електронът е фермион .

Като всяка заредена частица със спин, електронът има магнитен момент и магнитният момент е разделен на нормална част и аномален магнитен момент (добавка от около 0,116%). Магнитният момент на електрона μ e = -9,2847647043 (28) ⋅10 −24 J / T [2] . През 1989 г. Г. Демелт е удостоен с Нобелова награда по физика за измерване на магнитния момент на електрона с точност до 13 знака след десетичната запетая [9] [10] .

Понякога електроните включват както собствените електрони, така и позитроните (например, разглеждайки ги като общо електрон-позитронно поле, решение на уравнението на Дирак ), особено в онези проблеми, когато общите им свойства са по-значими от разликите. При този избор на термини отрицателно зареденият електрон се нарича [13] негатрон [14] , положително зареденият се нарича позитрон.

Намирайки се в периодичния потенциал на кристал, електронът се счита за квазичастица , чиято ефективна маса може да се различава значително от масата на електрон във вакуум.

Свободният електрон не може да абсорбира фотон , но може да го разпръсне (вижте ефекта на Комптън ).

Поради ниската си маса, електроните, поради тунелния ефект , лесно проникват през потенциални бариери с височина няколко електрон-волта и дебелина около десет атомни диаметъра. Тунелният ефект за електроните обяснява, че електрически ток може да протича между метален електрод и йони на разтвор или между два метала в контакт, въпреки факта, че металната повърхност обикновено е покрита с оксидни слоеве или замърсена [15] .

Съотношението на електрическия заряд към масата за един електрон е много пъти по-голямо от това за всяка друга елементарна частица или система от частици. Електроните могат да бъдат получени от твърди тела сравнително лесно в сравнение с всяка друга частица. Тези две обстоятелства са в основата на множество приложения на електрони във вакуумни устройства [16] .

Етимология и история на откриването

МезонМезонБарионНуклонКваркЛептонЭлектронАдронАтомМолекулаФотонW- и Z-бозоныГлюонГравитонЭлектромагнитное взаимодействиеСлабое взаимодействиеСильное взаимодействиеГравитацияКвантовая электродинамикаКвантовая хромодинамикаКвантовая гравитацияЭлектрослабое взаимодействиеТеория великого объединенияТеория всегоЭлементарная частицаВеществоБозон Хиггса
Кратък преглед на различните семейства елементарни и сложни частици и теории, описващи техните взаимодействия . Елементарните частици отляво са фермиони , отдясно са бозони . ( Условия - хипервръзки към статии на VP )

Името "електрон" идва от гръцката дума ἤλεκτρον , което означава " кехлибар ": дори в древна Гърция натуралистите провеждат експерименти - парчета кехлибар се търкат с вълна, след което започват да привличат малки предмети към себе си. Терминът "електрон" като наименование на основната неделима единица на заряда в електрохимията е предложен [17] от J. J. Stoney през 1894 г. (самата единица е въведена от него през 1874 г.). Откриването на електрона като частица принадлежи на E. Wichert [18] [19] и J. J. Thomson , които през 1897 г. установяват, че съотношението на заряда към масата за катодните лъчи не зависи от изходния материал.

Според хипотезата на de Broglie ( 1924 ), електронът (както всички други материални микрообекти) има не самокорпускулярни , но и вълнови свойства . Дължината на вълната на де Бройл на електрона е , където - константа на Планк , - импулсът на електрона. В нерелативисткия случай равно е , където - скоростта на електрона, Това е масата на електрона. В ултралативистичния случай равно е , където - скоростта на светлината, - енергията на електрона.

Съответно, електроните, подобно на светлината, могат да изпитват интерференция и дифракция . Вълновите свойства на електроните са експериментално открити през 1927 г. от американските физици К. Дейвисън и Л. Джърмър ( експеримент на Дейвисън-Джермър ) и независимо от английския физик Дж. П. Томсън [20] [21] .

Откриването на електрона и възможностите за неговото приложение в различни технически устройства доведоха до появата на голям брой нови концепции в съвременната физика. [22]

Използване

Експериментите с тръба на Крукс за първи път демонстрират природата на електроните

Повечето нискоенергийни източници на електрон използват явленията на термоелектронна емисия и фотоелектронна емисия . Високоенергийни, с енергия в диапазона от няколко keV до няколко MeV , електроните се излъчват в процесите на бета разпад и вътрешно преобразуване на радиоактивните ядра. Електроните, излъчвани при бета разпад, понякога се наричат ​​бета частици или бета лъчи. Ускорителите служат като източници на електрони с по-висока енергия.

Движението на електроните в металите и полупроводниците улеснява пренасянето и контрола на енергията. Това явление ( електрически ток ) е една от основите на съвременната цивилизация и се използва почти навсякъде в индустрията, комуникациите, компютърните науки, електрониката и в ежедневието. Скоростта на дрейф на електроните в проводниците е изключително ниска ( ~ 0,1-1 mm/s ), но електрическото поле се разпространява със скоростта на светлината . В тази връзка токът в цялата верига се установява почти мигновено.

Електронните лъчи, ускорени до високи енергии, например в линейни ускорители , са един от основните инструменти за изследване на структурата на атомните ядра и природата на елементарните частици. По-прозаичните приложения на електронните лъчи са телевизорите и мониторите с електронно-лъчеви тръби (CRT) - картинни тръби . Електронният микроскоп също използва способността на електронните лъчи да се подчиняват на законите на електронната оптика . Ускорените електронни лъчи също се използват за създаване на рентгенови лъчи : когато електронен лъч удари метална цел, електроните се разпръскват от електростатичното поле на атомните ядра и се генерират електрони и се генерира спирачно лъчение . Преди изобретяването на транзисторите, почти цялата радиотехника и електроника се основаваха на вакуумни електронни тръби , където движението на електроните във вакуум се контролира от електрически (понякога магнитни) полета. Електровакуумните устройства (EVP) продължават да се използват в ограничена степен в наше време. Най-често срещаните приложения са магнетроните в генераторите на микровълнови фурни и гореспоменатите електронно-лъчеви тръби в телевизори и монитори.

Електронните лъчи се използват в устройства за пречистване на димни газове [23] и в сондажни платформи за скали [24] .

Електронът като квазичастица

Ако един електрон е в периодичен потенциал , неговото движение се разглежда като движение на квазичастица [25] . Неговите състояния се описват с квазивълнов вектор . Основната динамична характеристика в случай на квадратичен закон на дисперсията е ефективната маса , която може да се различава значително от масата на свободен електрон и в общия случай е тензор [26] .

Електронът и Вселената

Една стотна от секундата след Големия взрив, Вселената се състои от смес от електрони, позитрони, неутрино, фотони, протони и неутрони. За всеки протон и неутрон имаше около милиард електрони, позитрони, неутрино и фотони. Приблизително 14 секунди след Големия взрив, когато температурата на Вселената падна до 3 милиарда градуса , почти всички електрони се анихилираха с позитрони [27] .

Известно е [28], че от всеки 100 нуклона във Вселената 87 са протони и 13 са неутрони (последните са предимно част от хелиеви ядра). За да се осигури общата неутралност на веществото, броят на протоните и електроните трябва да е еднакъв. Плътността на барионната маса (наблюдавана чрез оптични методи), която се състои главно от нуклони, е добре известна (един нуклон на 0,4 куб.м ) [29] . Като се вземе предвид радиуса на наблюдаваната Вселена ( 13,7 милиарда светлинни години), може да се изчисли, че броят на електроните в този обем е ~ 10 80 , което е сравнимо с големите числа на Дирак .

Електрическият заряд на електрона, константата на Планк и скоростта на светлината определят константата на фината структура , която определя интензивността на електромагнитните взаимодействия:

...

Масата на електрона, електрическият заряд на електрона и константата на Планк определят характерния размер на атомите ( радиус на Бор ):

виж [30] .

Радиоизлъчването от радиогалактики и пулсари се обяснява със синхротронното излъчване на електрони в магнитните полета около тези обекти. Частта на електроните с енергия над 1 GeV в първичните космически лъчи е около 1% от общия поток [31] .

Налягането на изродения електронен газ играе важна роля в последния етап на звездната еволюция. След охлаждане звездите с маси по-малки от границата на Чандрасекар се стабилизират от налягането на изроден електронен газ и се превръщат в бели джуджета . В звезди с по-голяма маса атомните ядра улавят електрони и се разпадат на неутрони ( неутронна звезда ) [32] . Ядрените реакции с участието на електрони и позитрони играят важна роля при експлозиите на свръхнови [33] .

С электроном связаны несколько физических величин, имеющих размерность длины [34] :

Все электроны во Вселенной абсолютно одинаковы по своим свойствам. Если обозначить величину электрического заряда электрона как , то электрические заряды всех известных элементарных частиц, за исключением кварков, равны , а электрические заряды кварков равны . Масса электрона резко выделяется в распределении известных элементарных частиц по массам [35] . Классический радиус электрона почти равен радиусу действия ядерных сил [36] [37] [38] . Можно ли вывести величину электрического заряда электрона из других мировых констант ( скорости света , постоянной Планка , гравитационной постоянной ) [39] ? Имеет ли смысл вопрос о размере электрона? Зависит ли размер электрона от условий опытов [40] ? Ответы на эти вопросы пока неизвестны (см. Нерешённые проблемы современной физики ).

Если бы масса электрона превышала разность масс нейтрона и протона, то химический состав Вселенной изменился бы коренным образом. В ней отсутствовал бы водород, а следовательно, звёзды в их обычном понимании, жизнь и разум. Поэтому, возможно, малая масса электрона обусловлена антропным принципом [41] .

Если бы электрон имел целый спин, то принцип Паули бы для него не выполнялся. Как следствие, во всех атомах отсутствовали бы электронные оболочки , и все атомы были бы химически инертны. Во Вселенной отсутствовали бы молекулы, химические соединения и жизнь, подобная нашей. [ источник не указан 1017 дней ]

Орбиталь

Для описания атомных и молекулярных многоэлектронных систем вместо точного решения уравнения Шрёдингера приходится обращаться к тем или иным приближениям , одним из которых является одноэлектронное, также называемое орбитальным. В его основе лежит представление о существовании индивидуальных состояний каждого электрона, которые представляют собой стационарные состояния движения электрона в некотором эффективном поле , создаваемом ядром (или ядрами) и всеми остальными электронами. Эти стационарные состояния описываются соответствующими одноэлектронными функциями [42] — орбиталями.

Электрон в произведениях искусства

  • В. Брюсов посвятил электрону своё стихотворение «Мир электрона».

Примечания

  1. Иванов И. Удивительный мир внутри атомного ядра : Научно-популярная лекция для школьников. ФИАН, 11 сентября 2007 года.
  2. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Fundamental Physical Constants — Complete Listing . CODATA. NIST.
  3. 1 2 Agostini M. et al. ( Borexino Coll.). Test of Electric Charge Conservation with Borexino (англ.) // Physical Review Letters . — 2015. — Vol. 115 , iss. 23 . — P. 231802 . — doi : 10.1103/PhysRevLett.115.231802 . — arXiv : 1509.01223 .
  4. Back HO et al. ( Borexino Coll.). Search for electron decay mode e → γ + ν with prototype of Borexino detector (англ.) // Phys. Lett. B. — 2002. — Vol. 525 , iss. 1—2 . — P. 29—40 . — doi : 10.1016/S0370-2693(01)01440-X . — Bibcode : 2002PhLB..525...29B .
  5. Также то же, что и электрум : «янтарного цвета сплав золота (80 %) с серебром (20 %)» ( Черных П. Я. Историко-этимологический словарь).
  6. Ельяшевич М. А. Атом // Физическая энциклопедия : [в 5 т.] / Гл. ред. А. М. Прохоров . — М. : Советская энциклопедия, 1988. — Т. 1: Ааронова — Бома эффект — Длинные линии. — С. 146—151. — 707 с. — 100 000 экз.
  7. Единица заряда СГСЭ (франклин или статкулон) определена как Кл = (2 997 924 580) −1 Кл (точно), где c — числовое значение скорости света в вакууме в единицах СИ (м/с), по определению равное 2 997 924 580. Единица заряда СГСМ, которую иногда называют абкулон, определена как 10 Кл. Поэтому элементарный заряд, выраженный в единицах заряда СГСЭ и СГСМ, также имеет точное значение.
  8. Наумов А. И. Физика атомного ядра и элементарных частиц. — М. : Просвещение , 1984. — С. 82. — 30 000 экз.
  9. 1 2 Демельт Х. Эксперименты с покоящейся изолированной субатомной частицей. [(Нобелевская лекция) ] // Успехи физических наук . — Российская академия наук , 1990. — Т. 160 , вып. 12 . — С. 129—139 .
  10. 1 2 Nobel lecture, December, 8, 1989, Hans D. Dehmelt Experiments with an isolated subatomic particle at rest
  11. Смондырев М. А. Квантовая электродинамика на малых расстояниях // Природа . — Наука , 1980. — № 9 . — С. 74—77 .
  12. Широков, 1972 , с. 67.
  13. По предложению Карла Андерсона , открывшего позитрон в 1932 году.
  14. Beuermann KP et al. Cosmic-Ray Negatron and Positron Spectra Between 12 and 220 MeV // Phys. Rev. Lett.. — 1969. — Vol. 22. — P. 412—415. — doi : 10.1103/PhysRevLett.22.412 .
    Ejiri H. Difference between Log ft Values of Negatron Decays and Positron Decays from Odd-Odd Nuclei to Even-Even Nuclei // J. Phys. Soc. Jpn.. — 1967. — Vol. 22. — P. 360—367. — doi : 10.1143/JPSJ.22.360 .
    Из статьи Skibo JG, Ramaty R. Primary and Secondary Cosmic Ray Positrons and Electrons // 23rd International Cosmic Ray Conference. — 1993. — Vol. 2. — P. 132—135. — Bibcode : 1993ICRC....2..132S . : «Hereafter, the term electron will refer to positrons and negatrons».
  15. Мотт Н. , Снеддон И. Волновая механика и её применения. — М. : Наука , 1966. — С. 30. — 9400 экз.
  16. Спроул Р. Современная физика. — М. : Наука, 1974. — С. 18. — 34 000 экз.
  17. Stoney GJ Of the 'Electron,' or Atom of Electricity ] (англ.) // Philosophical Magazine . Series 5. — 1894. — Vol. 38 . — P. 418—420 .
  18. Wiechert E. Über das Wesen der Elektrizität (нем.) // Schriften der Physikalisch-Ökonomischen Gesellschaft zu Königsberg in Preußen. — 7 Jan. 1897. — Bd. 38 , H. 1 . — S. 3—12 .
    Wiechert E. Experimentelles über die Kathodenstrahlen (нем.) // Schriften der Physikalisch-Ökonomischen Gesellschaft zu Königsberg in Preußen. — 7 Jan. 1897. — Bd. 38 , H. 1 . — S. 12—16 .
  19. Быков Г. В. К истории открытия электрона // Вопросы истории естествознания и техники. — 1963. — Вып. 15 . — С. 25—29 .
  20. Thomson GP The Septuagenarian Electron (англ.) // Phys. Today. — 1967. — Vol. 20 , iss. 5 . — P. 55 . ; Пер. с англ.: Томсон Г. П. Семидесятилетний электрон // Успехи физических наук . — Российская академия наук , 1968. — Т. 94 , вып. 2 . — С. 361—370 . — doi : 10.3367/UFNr.0094.196802f.0361 .
  21. Томсон Г. П. Ранний этап изучения дифракции электронов // Успехи физических наук . — Российская академия наук , 1969. — Т. 99 , вып. 11 . — С. 455—468 . — doi : 10.3367/UFNr.0099.196911d.0455 .
  22. Робертсон Б. Современная физика в прикладных науках. — М., Мир , 1985. — с. 25
  23. Екатерина Зубкова. БИНТИ Ускорители для очистки дымовых газов электростанций // Наука и жизнь . — 2017. — № 10 . — С. 40—41 .
  24. Екатерина Зубкова. БИНТИ Пробурить скважину к глубинному теплу // Наука и жизнь . — 2017. — № 10 . — С. 41 .
  25. Киттель Ч. Квантовая теория твердых тел. — М.Л. : Наука, 1967. — С. 103.
  26. Давыдов А. С. Теория твердого тела. — М. : Мир, 1979. — С. 122.
  27. Вайнберг С. Первые три минуты. — М. : Эксмо, 2011. — 208 с. — ISBN 978-5-699-46169-1 .
  28. Boyd RN Big bang nucleosynthesis (англ.) // Nuclear Physics A. — 2001. — Vol. 693 , no. 1—2 . — P. 249—257 . — doi : 10.1016/S0375-9474(00)00707-7 .
  29. Astrophysical Constants and Parameters
  30. Смородинский Я. А. Законы и парадоксы элементарных частиц // Физика наших дней. Сборник. — М. : Знание, 1972. — С. 90—91.
  31. Дорман Л. И. Экспериментальные и теоретические основы астрофизики космических лучей. — М. : Наука, 1975. — 464 с.
  32. Широков, 1972 , с. 552.
  33. Широков, 1972 , с. 558.
  34. Щёлкин К. И. Физика микромира. — М. : Атомиздат, 1965. — 230 с.
  35. Розенталь И. Л. , Архангельская И. В. Геометрия, динамика, Вселенная. — М. : Едиториал УРСС, 2003. — С. 175. — ISBN 5-354-00413-6 .
  36. Вайскопф В. Физика в двадцатом столетии. — М. : Атомиздат, 1977. — С. 103.
  37. Бор Н. Дискуссии с Эйнштейном о проблемах теории познания в атомной физике // Атомная физика и человеческое познание. — М. : ИЛ, 1961. — С. 92.
  38. Розенфельд Л. Квантовая электродинамика // Нильс Бор и развитие физики. — М. : ИЛ, 1958. — С. 115.
  39. Иваненко Д. Д. Элементарные частицы // Очерки развития основных физических идей. — М. : АН СССР, 1959. — С. 427. — 5000 экз.
  40. Пономарев Л. И. По ту сторону кванта. — М. : Молодая гвардия, 1971. — С. 43.
  41. Новиков И. Д. Как взорвалась Вселенная. — М. : Наука, 1988. — 141 с. — ISBN 5-02-013881-9 .
  42. Дмитриев, Электрон глазами химика, 1986 , с. 65.

Литература

  • Все известные свойства электрона систематизированы в обзоре Particle Data Group [1] (англ.) .
  • Бронштейн М. П. Атомы и электроны. — М.: Наука . — 1980. — 152 с., Библиотечка «Квант» , вып. 1. Тир. 150000 экз.
  • Дмитриев И.С. Электрон глазами химика / 2-е изд., испр.. — Л. : Химия, 1986. — 225 с.
  • Широков Ю. М. , Юдин Н. П. Ядерная физика. — М. : Наука, 1972. — 670 с.
  • Буравихин В. А., Егоров В. А. Биография электрона. — М. : Знание, 1985. — 136 с.