Подписаться

Электрон

Последняя правка сделана 2021-05-18 11:30:49 Править
Субатомная частица с отрицательным электрическим зарядом
Электрон
Atomic-orbital-clouds spd m0.png Водород атомные орбитали на разных уровнях энергии. В более непрозрачных областях наиболее вероятно найти электрон в любой момент времени.
Состав Элементарная частица
Статистика Фермионный
Поколение Первое
Взаимодействия Гравитация, электромагнитный, слабый
Символ. e.,. β.
Античастица Позитрон (также называемый антиэлектроном)
ТеоретическиРичард Лэминг (1838–1851),. Г. Джонстон Стоуни (1874) и другие.
ОбнаруженДж. Дж. Томсон (1897)
Масса 9,1093837015 (28) × 10 kg. 5,48579909070 (16) × 10 u. [1822,8884845 (14)] u. 0, 51099895000 (15) МэВ / c
Средний срок службы стабильный (>6,6 × 10 лет)
Электрический заряд -1 e. -1,602176634 × 10 C. -4,80320451 (10) × 10 esu
Магнитный момент -1,00115965218091 (26) μB
Спин 1/2
Слабый изоспин LH : -1/2, RH : 0
Слабый гиперзаряд LH : -1, RH : −2

Электрон - это субатомная часть, символ. e. или. β., чей электрический заряд равенство элементарного заряда. Электроны принадлежат к первому поколению семейства лептонных частиц и обычно считаются элементарными частями, поскольку у них нет известных компонентов или субструктуры. Электрон имеет массу, примерно 1/1836 массу протона. Квантово-механические свойства электрона включают в себя внутренние угловой момент (спин ) полуцелого значения, выраженный в единицах приведенной постоянной Планка, ħ. Будучи фермионами, никакие два электрона не могут занимать одно и то же квантовое состояние в соответствии с принципом исключения Паули. Как и все элементарные частицы, электроны проявляют свойства как частицы, так и волнения : они могут сталкиваться с другими частями и могут дифрагировать, как свет. Волновые электронов легче наблюдать с помощью экспериментов, чем свойства других частиц, такие как нейтроны и протоны, потому что электроны имеют меньшую массу и, следовательно, более длинную длину волны де Бройля для заданной энергии.

Электроны играют роль во многих физических явлениях, таких как электричество, магнетизм, химия и теплопроводность, а также они участвуют в гравитационном, электромагнитном и слабом взаимодействиях. Этот электрон имеет окружающее поле электрическое поле, и если этот электрон движется относительно наблюдателя, наблюдатель будет наблюдать за ним, чтобы генерировать магнитное поле. Электромагнитные поля, создаваемые другими источниками, будут влиять на движение электрона в соответствии с законом силы Лоренца. Электроны излучают или поглощают энергию в виде фотонов, когда они ускоряются. Лабораторные приборы способны улавливать как отдельные электроны, так и электронную плазму с помощью электромагнитных полей. Специальные телескопы могут сканировать электронную плазму в космосе. Электроны используются во многих областях, таких как электроника, сварка, электронно-лучевые трубки, электронные микроскопы, лучевая терапия, лазеры, детекторы газовой ионизации и ускорители частиц.

Взаимодействие электронов с другими субатомными частями представляет интерес в таких областях, как химия и ядерная физика. Взаимодействие кулоновской силы между положительными протонами в атомных ядрах и отрицательными электронами без них, позволяет составить 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 или более атомами является основной причиной химической связи. В 1838 году британский натурфилософ Ричард Лэминг впервые выдвинул гипотезу о неделимой величине электрического заряда для объяснения химических свойств элементов. Ирландский физик Джордж Джонстон Стоуни назвал этот заряд «электроном» в 1891 году, а Дж. Дж. Томсон и его команда британских физиков определили его как частицу в 1897 году. Электроны также могут участвовать в ядерных реакциях, таких как нуклеосинтез в звездах, где они известны как бета-частицы. Электроны могут быть созданы в результате бета-распада радиоактивных изотопов и в столкновении высоких энергий, например, когда космические лучи входят в атмосферу. античастица электрона называется позитроном ; он идентичен электрону, за исключением того, что несет электрические и другие заряды противоположного знака. Когда электрон сталкивается с позитроном, обе частицы могут быть аннигилированы с образованием гамма-лучей фотонов.

Содержание

  • 1 История
    • 1.1 Открытие эффекта электрической силы
    • 1.2 Открытие двух зарядов
    • 1.3 Открытие свободных электронов вне материи
    • 1.4 Атомная теория
    • 1.5 Квантовая механика
    • 1.6 Ускорители элементарных частиц
    • 1.7 Конфайнмент индивидуальных электронов
  • 2 Характеристики
    • 2.1 Классификация
    • 2.2 Основные свойства
    • 2.3 Квантовые свойства
    • 2.4 Виртуальные частицы
    • 2.5 Взаимодействие
    • 2.6 Атомы и молекулы
    • 2.7 Проводимость
    • 2.8 Движение и энергия
  • 3 Формирование
  • 4 Наблюдение
  • 5 Плазменные приложения
    • 5.1 Пучки частиц
    • 5.2 Получение изображений
    • 5.3 Другие приложения
  • 6 См. Также
  • 7 Примечания
  • 8 Ссылки
  • 9 Внешние ссылки

История

Открытие эффекта электрической силы

древние греки заметили, что янтарь привлекали мелкие предметы при трении кровать с мехом. Наряду с молнией, это явление является одним из самых ранних зарегистрированных опытов человечества с электричеством. В своем трактате 1600 года Де Магнете английский ученый Уильям Гилберт ввел в обращение новолатинский термин электрическое для обозначения веществ со свойствами, аналогичными свойствами янтаря, которые притягивать мелкие предметы после ространия. И электричество, и электричество произошло от латинского ēlectrum (также корня от одноименного сплава ), которое произошло от греческого слова для λεκτρον (ēlektron), обозначающего янтарь.

Обнаружение двух видов зарядов

В начале 1700-х годов французскийик Шарль Франсуа дю Фэй обнаружил, что если заряженный золотой лист оталкивается стеклом, натертым с шелком то такое же заряженное сусальное золото привлекает натертый шерстью янтарь. 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. Американский ученый Эбенезер Киннерсли независимо пришел к такому же выводу. Десятилетие спустя Бенджамин Франклин предположил, что электричество не из разных типов жидкости, а из одной электрической жидкости, показывающей избыток (+) или дефицит (-). Он дал им современную зарядную номенклатуру положительного и отрицательного соответственно. Франклин считал носитель заряда положительным, но он неправильно определил, какая ситуация была избытком носителя заряда, а какая - дефицитом.

Между 1838 и 1851 годами, британский натурфил Ричард Лэминг разработал идею тома, которая состоит из ядра вещества, окруженного субатомными частями, имеющими единичные электрические заряды. Начиная с 1846 года, немецкий физик Уильям Вебер предположил, что электричество из положительно и отрицательно заряженных жидкостей, 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 ион. Он смог получить этот элементарного заряда e с помощью системы электролиза Фарадея. Однако "Стони полагал, что эти заряды были прикреплены к атомам и постоянно не могли быть удалены". В 1881 году немецкий физик Герман фон Гельмгольц утвержден, что как положительные, так и отрицательные заряды были разделены на элементарные части, каждая из которых «ведет себя как атомы электричества».

Первоначально Стони 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 действующего количества этой наиболее фундаментальной единицы электричества, для которой я с тех пор предположил предположить имя электрон». Предложение 1906 года перейти на электрион не удалось, потому что Хендрик Лоренц предпочел электрон. Слово электрон представляет собой комбинацию слов electr ic и i на. Суффикс -on, который сейчас используется для обозначения других субатомных частиц, таких как протон или нейтрон, в свою очередь, происходит от электрона.

Открытие свободных электронов вне материи

Круглая стеклянная вакуумная трубка со светящимся круговым лучом внутри A пучок электронов, отклоняемый по окружности магнитным полем

Открытие электронов Джозефом Томсоном было соединено с экспериментальными и теоретическими исследованиями катодных лучей на протяжении десятилетий многими физиками. Изучая электропроводность в разреженных газах в 1859 г., немецкий физик Юлиус Плюккер заметил, что фосфоресцирующий свет, вызванный излучением, испускаемым катодом, появляется на стенке трубки около катод, и область фосфоресцирующего света перемещаться приложением магнитного поля. 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, а фосфоресценция вызывается лучами, падающими на стенки трубки. В 1876 году немецкий физик Ойген Гольдштейн показал, что лучи испускаются перпендикулярно поверхности катода, что позволяет различать лучи, испускаемые катодом, и свет лампы накаливания. Гольдштейн назвал лучи катодными лучами.

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

Британский физик немецкого происхождения Артур Шустер расширил эксперименты Крукса, разместив металлические пластины параллельным катодным лучом и приложив электрический потенциал между пластинами. Поле показывает лучи к положительно заряженной пластине. Путем измерения величины отклонения для заданного уровня тока в 1890 Шустер смог оценить отношение заряда к массе лучевых компонентов. Однако в результате получилось значение, более чем в тысячу раз превышающее ожидаемое, поэтому его расчетам в то время не доверяли.

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

Дж. Дж. Томсон

Изучая в 1896 году естественные флуоресцирующие минералы, 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 сквозь материю. В 1900 году Беккерель показал, что бета-лучи, испускаемые радием, могут отклоняться электрическим полем, и что их отношение массы к заряду такое же, как у катодных лучей. Это свидетельство укрепило мнение о том, что электроны существуют как компоненты.

В 1897 году британский физик Дж. Дж. Томсон и его коллеги Джон С. Таунсенд и Х. А. Уилсон провел эксперименты, показавшие, что катодные лучи действительно были уникальными частями, а не волнами, атомами или молекулами, как считалось ранее. Томсон хорошие оценки как заряда e, так и массы m, обнаружил, что частицы катодного луча, которые он назвал «корпускулами», сделал, вероятно, одну тысячную массу наименее известного иона: водорода. Он показал, что их отношение заряда к массе, э / м, не зависит от материала катода. Он также показал, что отрицательно заряженные частицы, производимые радиоактивными материалами, нагретыми материалами и освещенными материалами, являются универсальными. Название «электрон» было принято для этих частиц научным сообществом. Ф. Фитцджеральда, Дж. Лармора и Х. А. Лоренца.

Роберт Милликен

Заряд электрона был тщательно измерен американскими физиками Роберт Милликен и Харви Флетчер в их эксперименте с каплей масла 1909 года, результаты которого были опубликованы в 1911 году. В этом эксперименте использовалось электрическое поле для предотвращения заряженного капля масла от падения под силой тяжести. Это устройство могло измерять электрический заряд всего от 1 до 150 с погрешностью менее 0,3%. Аналогичные эксперименты были выполнены ранее с использованием облаков, созданных электролизом, в 1911 году Абрам Иоффе, который независимо получил тот же результат, что и Милликен. результаты были получены в 1913 году. Однако капли масла были более стабильными, чем капли воды, из-за их более медленной скорости испарения и, следовательно, более подходили для точных экспериментов в течение более длительных периодов времени.

Примерно в начале двадцатого века это было обнаружено, что при определенных условиях быстро движущаяся заряженная части вызывает конденсацию перенасыщенного водяного пара на своем пути. В 1911 году Чарльз Уилсон использовал этот принцип, чтобы изобрести свою камеру Вильсона, чтобы он мог фотографировать следы заряженных частиц, таких как быстро движущиеся электроны.

Теория атома

Три концентрических этого круга вокруг ядра, при электроне движется из второго круга в и испускает фотон Модель атома Бора, показывающая состояния электрона с энергией , квантованные числом 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 округе степени установили атома как плотное ядро ​​ с положительным зарядом, окруженное электронами меньшей массы. В 1913 году датский физик Нильс Бор постулировал, что электроны находятся в квантованных энергетических состояниях, причем их энергия измеряется угловым моментом орбиты электрона вокруг ядра. Электроны могут перемещаться между этими состояниями или орбитами за счет сил или элементов фотонов частот частот. Посредством этих квантованных орбит он точно объяснил спектральные линии атомрального водорода. Однако модель Бора не смогла учесть относительную интенсивность спектральных линий и не смогла объяснить спектры более сложных методов.

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

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. Физический механизм для объяснения четвертого параметра, который имел два различных возможных значения, был предоставлен голландскими физиками Самуэлем Гоудсмитом и Джорджем Уленбеком. В 1925 году они предположили, что электрон, помимо углового момента своей орбиты, обладает собственным угловым моментом и магнитным дипольным моментом . 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 с высоким разрешением ; это явление известно как расщепление тонкой структуры.

Квантовая механика

Французский физик <361 в своей диссертации 1924 г. «Recherches sur la théorie des Quanta» (Исследования квантовой теории)>Луи де Бройль выдвинул гипотезу, что вся материя может быть представлена ​​как волна де Бройля в виде света. То есть при соответствующих условиях электроны и другая материя проявляли бы свойства либо частиц, либо волн. корпускулярные свойства частицы демонстрируются, когда показано, что она имеет локализованное положение в пространстве вдоль своей траектории в любой данный момент. Волнообразный характер света отображается, например, когда луч света проходит через параллельные щели, тем самым создавая интерференционные узоры. В 1927 году Джордж Пэджет Томсон обнаружил, что эффект интерференции возникает, когда пучок электронов проходит через тонкую металлическую фольгу, и американскими физиками Клинтоном Дэвиссоном и Лестером Джермером отражением электронов от кристалла из никеля.

Симметричное синее облако, интенсивность которого уменьшается от центра наружу В квантовой механике поведение электрона в атоме описывается орбиталью, которая представляет собой распределение вероятностей, а не орбиту. На рисунке штриховкой обозначена относительная вероятность «найти» электрон, имеющий энергию, соответствующую заданным квантовым числам, в этой точке.

Предсказание Де Бройля о волновой природе электронов привело к Эрвин Шредингер постулироватьволновое уравнение для электронов, движущихся под ядром в атоме. В 1926 году это уравнение, уравнение Шредингера, успешноало, как распространяются электронные волны опис. Вместо того, чтобы использовать решение, которое используется для прогнозирования местоположения 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 квантовой механики (первой Гейзенбергом в 1925 г.), решения уравнения Шредингера, как и уравнения Гейзенберга, обеспечили вывод энергетических состояний электрона в атоме водорода, которые были эквивалентны к тем, которые были. впервые получены Бором в 1913 году и которые, как известно, воспроизводят спектр водорода. Квантовая механика позволила предсказать конфигурацию электронов в атомах с атомным номером больше водорода.

В 1928 году, работа на работе Вольфганга Паули, Пол Дирак создал модель электрона - уравнение Дирака, совместимое с теорией относительности, применив соображения релятивизма и симметрии к гамильтониану формулировке квантовая механика электромагнитного поля. Чтобы разрешить некоторые проблемы в рамках своего релятивистского уравнения, Дирак разработал в 1930 году модель вакуума как бесконечного моря частиц с отрицательной энергией, позже названного морем Дирака. Это привело его к предсказанию существования позитрона, антивещества аналог электрона. Эта часть была открыта в 1932 году Карлом Андерсоном, который использует стандартные электроны негатонами и использовать в качестве термина общего описания как положительно, так и отрицательно заряженных вариантов.

В 1947 году Уиллис Лэмб, работающий в сотрудничестве с аспирантом Робертом Ретерфордом, обнаружил, что источники квантовые состояния атома водорода, которые должны иметь одинаковую машину, были сдвинуты относительно друг друга; разница стала называться сдвигом Лэмба. Примерно в то же время Поликарп Куш, работать с Генри М. Фоули, обнаружил, что магнитный момент электрона немного больше, чем предсказывает теория Дирака. Это небольшое различие позже было названо аномальным магнитным дипольным моментом электрона. Позже это различие было объяснено теорией квантовой электродинамики, разработанной Син-Итиро Томонага, Джулианом Швингером и Ричардом Фейнманом в конце 1940-х.

Ускорители элементарных частиц

С разработкой ускорителя элементарных частиц в первой половине двадцатого века физики начали глубже изучать свойства субатомные частицы. 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.

С энергией пучка 1,5 ГэВ был создан первый коллайдер частиц с энергией ADONE, который начал работу в 1968 году. Это устройство ускоряло электроны и позитроны в противоположных направлениях, эффективно удваивая энергию столкновения по сравнению с поражением статической цели электроном. Большой электрон-позитронный коллайдер (LEP) в ЦЕРН, который работал с 1989 по 2000 год, достиг энергии столкновения 209 ГэВ и провел важные измерения для Стандартной модели физики элементарных частиц.

Ограничение отдельных электронов

Отдельные электроны теперь могут быть легко ограничены в сверхмалых (L = 20 нм, W = 20 нм) КМОП-транзисторах, работающих при криогенных температурах выше диапазона от -269 ° C (4 K ) до примерно -258 ° C (15 K ). Волновая функция электрона распространяется в решетке полупроводника и взаимодействует с электронами валентной зоны, поэтому ее можно рассматривать в форме одиночной частицы, заменяя ее массу тензором эффективной массы .

Характеристики

Классификация

Таблица с четырьмя строками и четырьмя столбцами, каждая ячейка которой содержит частицу идентификатор Стандартная модель элементарных элементов частиц. Электрон (символ e) находится слева.

В Стандартной модели физики элементарные частицы электроны принадлежащие к группе субатомных частиц, называемые лептонами, которые считают фундаментальные или элементарные частицы. Электроны имеют самую большую массу любого заряженного лептона (или электрически заряженной частицы любого типа) и относиться к первому поколению элементарных частиц. Второе и третье поколения содержат заряженные лептоны, мюон и тау, которые идентичны заряженному электрону, спин и взаимодействие, но более массовые. Лептоны отличаются от другого основного компонента материи, кварков, отсутствием сильного взаимодействия. Все членытонной группы являются фермионами, поскольку все они имеют получетный целочисленный лепной спин; у электрона спин 1/2.

Свойства

инвариантная масса электрона составляет приблизительно 9,109 × 10 килограмм, или 5,489 × 10 атомных массы. На основании принципа Эйнштейна о эквивалентности массы и энергии, эта масса соответствует энергии покоя 0,511 МэВ. Отношение между массой протона и массой электрона составляет около 1836. Астрономические измерения показывают, что отношение массой к электрону имело такое же значение, как и предсказывалось. Согласно Стандартной модели, по крайней мере, для половины возраста Вселенной.

Электроны имеют электрический заряд -1,602176634 × 10 кулонов, используется в качестве стандартного единица заряда для субатомных частиц, также называемая элементарным зарядом. В пределах экспериментальной точности электрона идентичен заряду протона, но с противоположным зарядом. Используется символ e используется для элементарного заряда, электрон обычно обозначается символом. e., где знак минус указывает отрицательный заряд. Позитрон обозначен символом. e., потому что он имеет те же свойства, что и электрон, но с положительным, а не отрицательным зарядом.

Электрон имеет собственный угловой момент или спин 1/2. Это свойство обычно выражается на электроне как на частицу со спином 1/2. Для таких частиц спина составляет / 2, тогда как результат измерения проекции спина на любую ось может быть только ± / 2. Помимо спина, электрон имеет собственный магнитный момент вдоль оси вращения. Это приблизительно равно одному магнетону Бора, который является постоянной постоянной равной 9,27400915 (23) × 10 джоулей на тесла. Ориентация спина по отношению к импульсу электрона определяет свойство элементов твердых частиц, как спиральность.

Электрон не имеет известной субструктуры.

Проблема радиуса электрона - это актуальная проблема современной теоретической физики. Признание гипотезы конечного радиуса электрона несовместимо с факторами теории относительности. С другой стороны, точечный электрон (нулевой радиус) порождает серьезные математические трудности из-за собственной энергии электрона, стремящейся к бесконечности. Наблюдение одиночного электрона в ловушке Пеннинга предполагает, что верхний предел радиуса частицы составляет 10 метров. Верхний предел радиуса электрона в 10 метров может быть получен с использованием соотношения неопределенности в энергии. Существует также физическая константа, называемая «классическим радиусом электрона », с большим числом 2,8179 × 10 м, превышающим радиус протона. Однако терминология на упрощенном вычислении, игнорирование методов квантовой механики ; Геометрический корпус.

Есть элементарные частицы, которые спонтанно распадаются на менее массивные частицы. Примером может служить мюон со средним временем жизни 2,2 × 10 секунд, который распадается на электрон, мюон нейтрино и электронный антинейтрино.. С другой стороны, электрон считается стабильным на теоретических основаниях: электрон - электрон - массивная часть с ненулевым электрическим зарядом, поэтому его распад нарушит сохранение заряда. Экспериментальная нижняя граница среднего времени жизни электрона составляет 6,6 × 10 лет при уровне достоверности 90% .

Квантовые свойства

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

Волнообразная природа электрона позволяет ему проходить через две параллельные щели одновременно, а не всего одна щель, как в случае классической частицы. В квантовой механике волновое свойство одной частицы может быть описано математически как комплексная -значная функция, волновая функция, обычно обозначаемая греческой буквой psi (ψ). Когда абсолютное значение этой функции равно в квадрате, это дает вероятность того, что частица будет наблюдаться вблизи определения местоположения - плотность вероятности.

Трехмерная проекция двухмерного графика. Симметричные формумы вдоль одной оси и симметричные впадины вдоль другой, примерно образ седловидную Пример антисимметричной волны функция для квантового состояния двух одинаковых фермионов в одномерном ящике. Если частицы меняются местами, волновая функция меняет знак.

Электроны являются идентичными частями, потому что их нельзя отличать друг от друга по своим 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 (r 1, r 2) = −ψ (r 2, r 1), где переменные r 1 и r 2 соответствуют первому и второму электронам соответственно. При вертикальном положении абсолютного значения не изменяется, это соответствует равным вероятностям смены. Бозоны, такие как фотон, вместо этого имеют симметричные волновые функции.

В случае антисимметрии решения волнового уравнения для взаимодействующих электронов приводят к нулевой вероятности 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, он заставляет группы связанных электронов занимать разные орбитали в атоме, а не перекрывать друг друга на одной орбите.

Виртуальные частицы

В упрощенная картина, которая часто дает неверное представление, но может служить для иллюстрации некоторых аспектов, каждый фотон проводит некоторое время как комбинация виртуального электрона и его античастицы, виртуального позитрона, которые быстро аннигилируют друг друга вскоре после этого. Комбинация изменения энергии, необходимой для создания этих частиц, и времени, в течение которого они существуют, подпадают под порог обнаруживаемости, выраженный соотношением неопределенности Гейзенберга, ΔE · Δt ≥ ħ. Фактически, энергия, необходимая для создания этих виртуальных частиц, ΔE, может быть «заимствована» из вакуума на период времени, Δt, так что их продукт будет не больше, чем уменьшенное значение Планка. константа, ħ ≈ 6,6 × 10 эВ · с. Таким образом, для виртуального электрона Δt составляет не более 1,3 × 10 с.

Сфера со знаком минус в левом нижнем углу символизирует электрон, а пары сфер со знаками плюс и минус показывают виртуальные частицы Схематическое изображение виртуальных электрон-позитронных пар, возникающих случайным образом рядом с электроном (внизу слева)

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

Взаимодействие с виртуальными частицами также объясняет небольшое (около 0,1%) отклонение собственного магнитного момента электрона от магнетон Бора (аномальный магнитный момент ). Чрезвычайно точное совпадение этой предсказанной разницы с экспериментально определенным значением рассматривается как одно из величайших достижений квантовой электродинамики.

Кажущийся парадокс в классической физике электрона точечной частицы, имеющего внутреннюю угловую импульс и магнитный момент можно объяснить образованием виртуальных фотонов в электрическом поле, создаваемом электроном. Эти фотоны заставляют электрон двигаться нервно (известный как zitterbewegung ), что приводит к чистому круговому движению с прецессией. Это движение вызывает как спин, так и магнитный момент электрона. В атомах это создание виртуальных фотонов объясняет лэмбовский сдвиг, наблюдаемый в спектральных линиях. Комптоновская длина волны показывает, что около элементарных частиц, таких как электрон, неопределенность энергии позволяет создавать виртуальные частицы около электрона. Эта длина волны объясняет «статику» виртуальных частиц вокруг частиц на близком расстоянии.

Взаимодействие

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 вызывает закон обратных квадратов Кулона. Когда электрон находится в движении, он генерирует магнитное поле. Закон Ампера-Максвелла связывает магнитное поле с массовым движением электронов (ток ) по отношению к наблюдателю. Это свойство индукции магнитное поле при приводе электродвигателя . Электромагнитное поле произвольно движущейся заряженной частицы выражается дополнительными Льенара - Вихерта, которые действительны, даже когда скорость частиц близка к скорости света (релятивистская ).

График с дугами, показывающие движение заряженных частиц частица с зарядом q (слева) движется со скоростью v через магнитное Для электрона q отрицательно, он следует изогнутой траектории к вершине.

Когда электрон движется через магнитное поле, на него действует сила Лоренца, которая действует перпендикулярно плоскости, определяемой центростремительная сила заставляет электрон следовать по спирали траектория через поле на радиусе, называемое гирорадиусом. В виде синхротронного излучения. Выделение энергии, в свою очередь, вызывает отдачу электрона., известный как сила Абрахама - Лоренца - Дирака e, которое создает замедленное трение, которое создает электронное трение, которое создает силы обратной реакцией поля собственного электрона на самого себя.

Кривая показывает движение электрона, красная точка показывает ядро, а волнистая линия - испускаемый фотон Здесь тормозно. е излучение создается электроном e, отклонением электрическим полем атомного ядра. Изменение E 2 - E 1 определить частоту f испускаемой энергии фотона.

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

Неупругое столкновение фотона (света) с уединенным (свободным) электроном называется комптоновским рассеянием. Это столкновение приводит к передаче импульса и энергии между частями, которая изменяет длину волны фотона на воспринимаемую комптоновским сдвигом. Максимальная величина этой сдвига длины волны составляет ч / м e c, что известно как длина волны Комптона. Для электрона оно составляет 2,43 × 10 м. Когда длина волны волны большая свет (например, длина видимого света составляет 0,4–0,7 мкм) сдвиг длины волны становится незначительным. Такое взаимодействие между светом и свободными электронами называется томсоновским рассеянием или линейным томсоновским рассеянием.

Относительная сила электромагнитного взаимодействия между двумя заряженными частями, как электрон и протон, равна тонкой структуре постоянной постоянной>621>. Эта величина представляет собой безразмерную, образованную энергию двух энергий: электростатической энергии притяжения (отталкивания) на одной комптоновской длине волны и энергии покоя заряда. Он определяется выражением α ≈ 7,297353 × 10, что приблизительно равно 1/137.

Когда электроны и позитроны сталкиваются, они аннигилируют друг с другом, вызывая два или более гамма-излучения. фотоны. Если электрон и позитрон имеют пренебрежимо малый импульс, атом позитрония может образоваться до того, как аннигиляция приводит к двум или трем гамма-фотонам с суммарной энергией 1,022 МэВ. 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, такой как ядро.

В теории электрослабого взаимодействия, левый компонент волновой функции электрона образует слабый изоспиновый дублет с электронным нейтрино. Это означает, что во время слабых взаимодействий электронные нейтрино ведут себя как электроны. Любой член этого дублета может подвергаться воздействию заряженным током воздействием или поглощением . W. и преобразоваться в другой член. Заряд 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 это отвечает за нейтрино-электронное , упругое рассеяние.

Атомы и молекулы

Таблица из пяти строк и пяти столбцов, каждая ячейка которой отображает цветовую плотность вероятности Плотности вероятности для нескольких первых орбиталей, могут подвергаться взаимодействию нейтральным током посредством обмена . Z.. атома водорода, видимый в поперечном сечении. Уровень энергии связанного электрона определяет орбиталь, которую он занимает, а цвет отражает вероятность нахождения электрона в позиции.

Электрон может быть связан с ядром атома кулоновской силы притяжения. Система из одного или нескольких электронов, связанная с ядром, называется атомом. Если количество электронов отличается от электрического ядра, такой атом называется ионом. Волнообразное поведение связанного электрона описывается функцией, называемой атомной орбиталью. Каждый орбиталь имеет свой собственный набор квантовых чисел, таких как энергия, угловой момент и проекция углового момента, и только дискретный набор этих орбиталей вокруг ядра. Согласно принципу исключения Паули, каждая орбиталь может быть занята до двух электронов, которые должны различаться по своему квантовому спина.

. Электроны могут перемещаться между разными орбита за счет силы или фотонов с энергией, которая соответствует разнице в потенциале. Другие методы орбитального переноса включают столкновения с частями, такими как электроны, и эффект Оже. Чтобы покинуть атом, энергию электрона должна быть выше его энергия связи с атомом. Это происходит, например, с фотоэлектрическим эффектом, когда падающий фотон, превышающий энергию ионизации атома, поглощается электроном.

Орбитальный угловой момент электронов квантовано. Установлен орбитальный магнитный момент, настраивает угловому моменту. Чистый магнитный момент атома равенство векторной сумме орбитального и спинового магнитных моментов всех электронов и ядра. Магнитный момент ядра ничтожен по сравнению с магнитным моментом электронов. Магнитные моменты электронов, занимающих одну и ту же орбиталь (так называемые парные электроны), компенсируют друг друга.

химическая связь между атомами в результате электромагнитных взаимодействий, как описано по законам квантовой механики. Самые прочные связи образуются за счет совместного использования или передачи электронов между атомами, что позволяет образовывать молекулы. Внутри молекулы электроны движутся под атомами ядер и занимают молекулярные орбитали ; настолько, насколько они могут занимать атомные орбитали в атомах. Фундаментальный фактор в этих молекулярныхх является наличием электронного 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. Электроны с максимальной вероятностью могут быть обнаружены в небольших объемах между ядрами. Напротив, в несвязанных парах электроны распределены в большом объеме вокруг ядер.

Проводимость

Четыре молнии ударяют в землю A молниеносный состоит в основном из потока электронов. Электрический потенциал, необходимый для молнии, может быть создан за счет трибоэлектрического эффекта.

Если тело имеет больше или меньше электронов, чем требуется для уравновешивания положительного ядерного заряда, то этот объект имеет чистый электрический заряд. Когда имеется избыток электронов, считается заряженным отрицательно. Когда электронов меньше, чем количество протонов в ядрах, 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 за счет трибоэлектрического эффекта.

Независимые электроны, движущиеся в вакууме, называются свободными электронами. Электроны в металлах также ведут себя так, как если бы они были свободными. В действительности 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. Когда свободные электроны - как в вакууме, так и в металлах - движутся, они показывают чистый поток заряд, называемый электрический током, который генерирует магнитное поле. Точно так же ток может создаваться изменяющимся магнитным полем. Эти взаимодействия математически описываются уравнениями Максвелла.

При заданной температуре материал имеет электрическую проводимость, которая определяет значение каждого электрического тока при приложении электрическое сопротивление.. Примеры хороших проводников включают металлы, такие как медь и золото, тогда как стекло и тефлон являются плохими проводниками. В электрическом материале электроны остаются связанными со своими любыми диами, и материал ведет себя как изолятор. Большинство полупроводников имеют переменный уровень проводимости, который находится между крайними значениями проводимости и изоляции. С другой стороны, металлы имеют электронные зоны, содержащие частично заполненные электронные зоны. Наличие таких полос позволяет электронам в металлах вести себя так, как если бы они были свободными или делокализованными электронами. Эти электроны не связаны с конкретными атомами, поэтому при приложении электрического поля они могут свободно перемещаться, как газ (так называемый ферми-газ ), через материал, свободным электронам.

Из-за столкновения между электронами и атомами скорость дрейфа электронов в проводнике составляет порядка миллиметров в секунду. Однако скорость, с помощью которой изменяется ток в одной точке вызывает изменения в токах в других частях материала, скорость распространения, обычно составляет около 75% скорости света. Это происходит потому, что электрические сигналы распространяются как волна со скоростью, зависящей от диэлектрической постоянной материала.

Металлы являются относительно хорошими проводниками тепла, в первую очередь, потому что делокализованные электроны могут свободно перемещаться. переносят тепловую энергию между атомами. Однако, отличие от электропроводности, теплопроводность металла почти не зависит от температуры. Это выражается математически законом Видемана - Франца, который гласит, что отношение теплопроводности к электропроводности пропорционально температуре. Тепловой беспорядок в металлической решетке увеличивает электрическое удельное сопротивление материала, вызывая температурную зависимость электрического тока.

При охлаждении ниже точки, называемой критической температурной, материалы могут претерпевать фазовый переход, при котором они теряют все удельное сопротивление электрическому току, в процессе, известном как сверхпроводимость. В теории BCS пары электронов, называемые куперовскими парами, связаны своим движением с близким веществом через колебания решетки, называемые фононами, что позволяет избежать столкновений с атомами, которые обычно электрическое сопротивление. (Куперовские пары имеют радиус примерно 100 нм, поэтому они могут перекрывать друг друга.) Однако механизм, с помощью которого находятся высокотемпературные сверхпроводники, остается неопределенным.

Электроны внутри проводных твердых тел, которые сами являются квазичастицами, когда они плотно удерживаются при температуре, близких к , ведут себя так, как если бы они распались на три других квазичастицы : спиноны, орбитоны и холоны. Первый спин и магнитный момент, несет свою орбитальную позицию, а второй - электрический заряд.

Движение и энергия

Согласно теории Эйнштейна специальной теории относительности, поскольку скорость электрона приближается к скорости света, с точки зрения наблюдателя, его релятивистская масса больше, тем самым 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, инжектируются в диэлектрическую среду, такую ​​как вода, где локальная скорость света значительно меньше c, электроны временно перемещаются в среде со скоростью, превышающей скорость света.. Взаимодействуя со средой, они генерируют слабый свет, называемый черенковским излучением.

График начинается с нуля и резко изгибается вверх вправо Лоренц-фактор как функция скорости. Он начинается со значения 1 и стремится к бесконечности по мере приближения v к c.

Эффект специальной теории относительности на основе известной как фактор Лоренца, определяемый как γ = 1/1 - v 2 / c 2 {\ displaystyle \ scriptstyle \ gamma = 1 / {\ sqrt {1- {v ^ {2}} / {c ^ {2}}}}}\ scrip tstyle \ gamma = 1 / {\ sqrt {1- {v ^ {2}} / {c ^ {2}}}} где v - скорость частиц. Кинетическая энергия K e электрона, движущегося со скоростью v, равна:

K e = (γ - 1) mec 2, {\ displaystyle \ displaystyle K _ {\ mathrm {e}} = (\ гамма -1) m _ {\ mathrm {e}} c ^ {2},}\ displaystyle K _ {\ mathrm {e}} (\ гамма -1) m _ {\ mathrm {e}} c ^ {2},

где m e - масса электрона. Например, Стэнфордский линейный ускоритель может ускорить электрон примерно до 51 ГэВ. Он ведет себя как волна де Бройля . Это определяется как λ e = h / p, где h - постоянная Планка, а p - импульс. Для электрона с энергией 51 достаточно мало, чтобы исследовать структуру.

Фотон приближается к ядру слева, образовавшиеся электроны и позитрон движутся вправо Образование пар электрона и позитрона, вызванное близким сближением фотона с ядром атома. Символ молнии представляет собой обмен виртуальным фотоном, при этом действует электрическая сила. Угол между частями очень мал.

Теория Большого взрыва - наиболее широко принятая научная теория для объяснения ранних стадий эволюции Вселенной. В течение первой миллисекунды Большого взрыва температуры были более 10 миллиардов кельвинов, а 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. ↔ . e. +. e.

На этой фазе эволюции Вселенной поддерживалось равновесие между электронами, позитронами и фотонами. Однако по прошествии 15 секунд температура Вселенной упала ниже порога, при котором могло произойти электрон-позитронное образование. Большинство выживших электронов и позитронов аннигилировали друг друга, испуская гамма-излучение, которое на короткое время повторно нагрел Вселенную.

По причинам, которые остаются неясными, во время процесса аннигиляции было превышение количества 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 Вселенной равнялся нулю. 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. Любые оставшиеся нейтроны претерпелиательный бета-распад с периодом полураспада около тысячи секунд, высвобождая при этом протон и электрон,

. n.. p. +. e. + . ν. e

Примерно в течение следующих 300000–400000 лет избыточные электроны тоже оставались энергией взаимодействовать с атомными ядрами. За этим последовал период, известный как рекомбинация, когда образовались нейтральные атомы и расширяющаяся Вселенная стала прозрачной для излучения.

Примерно через миллион лет после большого взрыва, первое поколение звезды начали формироваться. 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 звездной эволюции может привести к синтезу радиоактивных изотопов. Выбранные изотопы могут впоследствии подвергнуться отрицательному бета-распаду, испуская электрон и антинейтрино из ядра. Примером может служить изотоп кобальта-60 (Co), который распадается с образованием никеля-60 (. Ni.).

Ветвящееся дерево, представляющее производство частиц расширенный атмосферный ливень, создаваемый энергетическими космическими лучами, падающими на атмосферу Земли

К концу своей жизни звезда с массой более 20 солнечных может претерпеть гравитационный коллапс с образованием черной дыры. Согласно классической физике, эти массивные звездные объекты проявляют гравитационное притяжение, достаточно сильное, чтобы не дать чему-либо, даже электромагнитному излучению, ускользнуть за Радиус 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 (например, электрон и позитрон) создается вблизи горизонт событий, случайное пространственное расположение может привести к появлению одного из них снаружи; этот процесс называется квантовым туннелированием. Затем гравитационный потенциал черной дыры может поставлять энергию, которая превращает эту виртуальную частицу в реальную частицу, позволяя ей излучаться в космос. 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.

Космические лучи - это частицы, путешествующие в космосе с высокими энергиями. Зарегистрированы энергетические события до 3,0 × 10 эВ. Когда эти частицы сталкиваются с нуклонами в атмосфере Земли, генерируется ливень частиц, включая пионы. Более половины космического излучения, наблюдаемого с поверхности Земли, состоит из мюонов. 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.

. μ. →. e. + . ν. e + . ν. μ

Наблюдение

Круговое зеленое свечение в ночном небе над снегом- покрытая земля полярных сияний в основном вызвано высыпанием энергичных электронов в атмосферу.

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

частота фотона пропорционально 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, такой как спектральная серия водорода. При обнаружении спектроскопические измерения силы и ширины этих линий позволяют определить состав и физические свойства вещества.

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

Первые видеоизображения распределения энергии электрона были захвачены с помощью группа из Лундского университета в Швеции, февраль 2008 г. Ученые использовали чрезвычайно короткие вспышки света, называемые аттосекундными импульсами, что позволило впервые наблюдать движение электрона.

Распределение электронов в твердых материалах может быть визуализировано 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.

Плазменные приложения

Пучки частиц

Фиолетовый луч сверху синее свечение вокруг модели космического челнока Во время ветра NASA В туннельном тесте модель космического корабля Space Shuttle нацеливается пучком электронов, имитируя эффект ионизирующих газов во время повторного входа.

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

Электронно-лучевая литография (EBL) - это метод травления полупроводников с разрешением меньше микрометра. 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 интегральных схем.

Обработка электронным пучком используется для облучения материалов с целью изменения их физических свойств или стерилизации медицинские и пищевые продукты. Электронные пучки псевдоожижают или квазиплавкие стекла без значительного повышения температуры при интенсивном облучении: например, интенсивное электронное излучение вызывает на много порядков уменьшение вязкости и ступенчатое уменьшение ее энергии активации.

Линейные ускорители частиц генерируют пучки электронов для лечения поверхностных опухолей в лучевой терапии. Электронная терапия может лечить такие поражения кожи, как базально-клеточные карциномы, потому что электронный луч проникает только на ограниченную глубину, прежде чем будет поглощен, обычно до 5 см для энергии электронов в диапазоне 5 –20 МэВ. Электронный пучок может использоваться в дополнение к обработке областей, облученных рентгеновскими лучами.

Ускорители частиц используют 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. Поляризованные электронные пучки могут быть полезны для различных экспериментов. Синхротронное излучение может также охлаждать электронные пучки, чтобы уменьшить разброс по импульсам частиц. Пучки электронов и позитронов сталкиваются при ускорении частиц до требуемых энергий; детекторы частиц наблюдают за результирующим излучением энергии, что изучает физика элементарных частиц.

Получение изображений

Дифракция электронов низких энергий (LEED) является методом бомбардировки кристаллического материала коллимированным пучком электронов и последующее наблюдение дифракционных картин для определения структуры материала. Требуемая энергия электронов обычно находится в диапазоне 20–200 эВ. Метод дифракции высокоэнергетических электронов на отражение (RHEED) использует отражение электронов, выпущенных под различными низкими углами, для характеристик поверхности кристаллических материалов. Энергия пучка обычно находится в диапазоне 8–20 кэВ, а угол падения составляет 1–4 °.

Электронный микроскоп направляет сфокусированный пучок электронов на образец. Некоторые электроны изменяют свои свойства, такие как направление движения, угол. Микроскопы могут регистрировать эти изменения в электронном луче для получения изображений с атомарным разрешением. В синем свете обычные оптические микроскопы имеют ограниченное дифракцию разрешением около 200 нм. Для сравнения, электронные микроскопы ограничены длиной волны де Бройля электрона. Эта длина волны, например, равна 0,0037 нм для электронов, ускоряет через потенциал 100000- вольт. Просвечивающий электронный микроскоп с коррекцией аберраций имеет разрешение менее 0,05 нм, что более чем достаточно для разрешения отдельных элементов. Эта возможность сделать электронный полезный лабораторный инструмент для загрузки с высоким разрешением. Однако электронные микроскопы - дорогостоящие инструменты, обслуживание которых требует больших затрат.

Существует два основных типа электронных микроскопов: просвечивающий и сканирующий. Просвечивающие электронные микроскопы действуют аналогично диапроекторам, когда пучок электронов проходит через срез материал, а затем проецируется линзами на слайд или устройство с зарядовой связью. Сканирующие электронные микроскопы растери тонко сфокусированным электронным пучком, как в телевизоре, поперек исследуемого образца для получения изображения. Увеличение составляет от 100 × до 1000000 × или выше для обоих типов микроскопов. сканирующий туннельный микроскоп использует квантовое туннелирование электронов из острого металлического наконечника в исследуемый материал и может создать изображения его поверхностью с атомарным разрешением.

Другие применения

В лазер на свободных электронах (FEL), релятивистский электронный пучок проходит через пару ондуляторов, обяз массивы дипольных магнитов, поля которых находятся 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, таких как хирургия мягких тканей.

Электроны важны в электронно-лучевых трубках, которые широко используются в качестве устройств отображения в лаборатории. инструменты, компьютерные мониторы и телевизоры. В фотоумножителе каждый фотон, ударяющийся о фотокатод, запускает лавину электронов, которая производит регистрируемый импульс тока. В вакуумных трубках поток электронов используется для управления электрическими токами. сигналов, и они сыграли решающую роль в развитии электронных технологий. Однако их в степени вытеснили твердотельные устройства, такие как транзистор.

См. Также

Примечания

Ссылки

Внешние ссылки

Викицитатник содержит цитаты, связанные с: Electron
Wikisource содержит текст Британской энциклопедии 1911 года статьи Electron.
На Викискладе есть материалы, связанные с Электроны.

Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: mail@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте
Список материалов:
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26