elektron

Iz Wikipedije, proste enciklopedije
Pojdi na navigacijo Pojdi na iskanje
elektron ( )
Verjetnostna slika lokacije enega samega elektrona v atomu
Verjetnostna slika lokacije enega samega elektrona v atomu
Sestavljen temeljni delec
družina Fermion
Skupina Lepton
Sodeluje v interakcijah gravitacijski [1] , šibki in elektromagnetni
Antidelec pozitron
Utež

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

5,48579909065 (16) ⋅10 -4 amu [2]
Življenska doba ∞ (star najmanj 6,6⋅10 28 let [3] [4] )
Kvantna števila
Električni naboj −1,6021766208 (98) ⋅10 −19 C [2]
Barionska številka 0
Leptonsko število +1
Zavrtite se 1/2 ħ
Magnetni trenutek −9,2847647043 (28) ⋅10 −24 J / T [2]
Notranja pariteta +1
Izotopsko vrtenje 0
Logotip Wikimedia Commons Predstavnostne datoteke na Wikimedia Commons

Elektron (iz starogrške. Ἤλεκτρον " jantar " [5] ) je stabilen negativno nabit elementarni delec . Šteje se za temeljno (ki, kolikor je znano, nima sestavnih delov) in je ena glavnih strukturnih enot snovi. Razvrščen je kot fermion (ima spin ½) in kot lepton . Edini (skupaj s svojim antidelcem - pozitronom ) od znanih nabitih leptonov, ki je stabilen. Elektroni tvorijo elektronske lupine atomov , katerih struktura določa večino optičnih, električnih, magnetnih, mehanskih, kemičnih lastnosti snovi [6] . Gibanje elektronov določa tok električnega toka v številnih prevodnikih (zlasti v kovinah ). V racionalnem sistemu enot je Comptonova valovna dolžina elektrona dolžinska enota, masa elektrona pa enota mase.

Lastnosti

Elektronski naboj so neposredno izmerili v poskusih A.F.Ioffeja ( 1913 ) in R. Millikena ( 1911 ). Sedanja vrednost naboja elektronov je določena natančno kot −1,602176634⋅10 −19 C [2] ali −4,803204712570263⋅10 −10 enot. polnjenje CGSE (natančno) v sistemu CGSE ali −1,602176634⋅10 −20 enot. SGSM (točno) v sistemu SGSM . V letu 2019 so bile osnovne enote SI povezane s temeljnimi konstantami; zlasti je kulon vezan na elementarni električni naboj , zato ima numerična vrednost naboja elektrona po definiciji absolutno natančnost in je navedena brez napak [7] . Naboj elektrona, vzet v absolutni vrednosti, služi kot enota za merjenje električnega naboja drugih elementarnih delcev.

kg [2] je masa elektrona.
Cl [2] je naboj elektrona.
C / kg [2] - specifičen naboj elektrona.
- vrtenje elektrona v enotah

Za razliko od večine drugih delcev, ki jih znanost pozna, je elektron stabilen (natančneje, znotraj občutljivosti poskusa je njegova življenjska doba najmanj 6,6⋅10 28 let z 90-odstotno stopnjo zaupanja [3] ). Razpad prostega elektrona na nevtrine in fotone je prepovedan z zakonom o ohranjanju električnega naboja , razpad na druge elementarne delce pa z zakonom o ohranjanju energije .

Sodobna znanost obravnava elektron kot temeljni elementarni delec, ki nima notranje strukture in velikosti [8] . Eksperimenti ultra natančnega določanja magnetnega momenta elektrona ( Nobelova nagrada 1989) kažejo, da velikost elektrona ne presega 10–20 cm [9] [10] . Prej izvedeni poskusi trkov visokoenergijskih elektronov so dali grobejšo omejitev glede velikosti: 10–17 cm [11] .

Notranja parnost elektrona je +1 [12] . Elektron sodeluje v šibkih , elektromagnetnih in gravitacijskih interakcijah. Primera sodelovanja elektrona v šibkih interakcijah sta beta razpad in zajem elektrona . Spada v skupino leptonov in je (skupaj s svojim antidelcem, pozitronom ) najlažji izmed nabitih leptonov in najlažji elementarni delec z električnim nabojem. Pred odkritjem mase nevtrina je elektron veljal za najlažjega od masivnih delcev - njegova masa je približno 1836-krat manjša od mase protona . Spin elektrona je 1 2 , zato je elektron fermion .

Kot vsak nabit delec s spinom ima elektron magnetni moment , magnetni moment pa je razdeljen na normalni del in anomalni magnetni moment (dodatek približno 0,116%). Magnetni moment elektrona μ e = -9,2847647043 (28) ⋅10 −24 J / T [2] . Leta 1989 je G. Demelt prejel Nobelovo nagrado za fiziko za merjenje magnetnega momenta elektrona s točnostjo 13 decimalnih mest [9] [10] .

Včasih elektroni vključujejo tako lastne elektrone kot pozitrone (na primer, če jih obravnavamo kot skupno elektron-pozitronsko polje, rešitev Diracove enačbe ), zlasti v tistih težavah, ko so njihove splošne lastnosti pomembnejše od razlik. Pri tej izbiri izrazov se negativno nabit elektron imenuje [13] negatron [14] , pozitivno nabit pa pozitron.

Ker je v periodičnem potencialu kristala, se elektron obravnava kot kvazidelec , katerega efektivna masa se lahko bistveno razlikuje od mase elektrona v vakuumu.

Prosti elektron ne more absorbirati fotona , čeprav ga lahko razprši (glej Comptonov učinek ).

Zaradi svoje nizke mase elektroni zaradi tunelskega učinka zlahka prodrejo skozi potencialne pregrade, visoke nekaj elektron-voltov in debeline približno deset atomskih premerov. Učinek tuneliranja za elektrone pojasnjuje, da lahko električni tok teče med kovinsko elektrodo in ioni raztopine ali med dvema kovinama v stiku, kljub temu, da je kovinska površina običajno prekrita s plastmi oksida ali kontaminirana [15] .

Razmerje med električnim nabojem in maso za elektron je večkrat večje kot za kateri koli drugi elementarni delec ali sistem delcev. Elektrone je mogoče pridobiti iz trdnih snovi relativno enostavno v primerjavi s katerim koli drugim delcem. Ti dve okoliščini sta podlaga za številne aplikacije elektronov v vakuumskih napravah [16] .

Etimologija in zgodovina odkritja

МезонМезонБарионНуклонКваркЛептонЭлектронАдронАтомМолекулаФотонW- и Z-бозоныГлюонГравитонЭлектромагнитное взаимодействиеСлабое взаимодействиеСильное взаимодействиеГравитацияКвантовая электродинамикаКвантовая хромодинамикаКвантовая гравитацияЭлектрослабое взаимодействиеТеория великого объединенияТеория всегоЭлементарная частицаВеществоБозон Хиггса
Kratek pregled različnih družin osnovnih in sestavljenih delcev ter teorij, ki opisujejo njihove interakcije . Elementarni delci na levi so fermioni , na desni pa bozoni . ( Pogoji - hiperpovezave do člankov VP )

Ime "elektron" izvira iz grške besede ἤλεκτρον , kar pomeni " jantar ": že v stari Grčiji so naravoslovci izvajali poskuse - koščke jantarja so drgnili z volno, nakar so začeli k sebi privlačiti majhne predmete. Izraz "elektron" kot ime osnovne nedeljive enote naboja v elektrokemiji je predlagal [17] J. J. Stoney leta 1894 (samo enoto je uvedel leta 1874). Odkritje elektrona kot delca pripada E. Wichertu [18] [19] in J. J. Thomsonu , ki sta leta 1897 ugotovila, da razmerje med nabojem in maso za katodne žarke ni odvisno od izvornega materiala.

Po hipotezi de Broglieja ( 1924 ) ima elektron (kot vsi drugi materialni mikroobjekti) ne le korpuskularne , temveč tudi valovne lastnosti . De Brogliejeva valovna dolžina elektrona je , kje - Planckova konstanta , - zagon elektrona. V nerelativističnem primeru enako je , kje - hitrost elektrona, Je masa elektrona. V ultrarelativističnem primeru enako je , kje - svetlobna hitrost, - energija elektrona.

V skladu s tem lahko elektroni, tako kot svetloba, doživijo interferenco in difrakcijo . Valovne lastnosti elektronov sta leta 1927 eksperimentalno odkrila ameriška fizika K. Davisson in L. Jermer ( Davisson-Jermerjev eksperiment ) ter neodvisno angleški fizik J. P. Thomson [20] [21] .

Odkritje elektrona in možnosti njegove uporabe v različnih tehničnih napravah je povzročilo nastanek velikega števila novih konceptov v sodobni fiziki. [22]

Uporaba

Poskusi s Crookesovo cevjo prvič dokazujejo naravo elektronov

Večina nizkoenergijskih virov elektronov uporablja fenomena termoionske emisije in fotoelektronske emisije . Visokoenergijski, z energijami od nekaj keV do nekaj MeV , se elektroni oddajajo v procesih beta razpada in notranje pretvorbe radioaktivnih jeder. Elektroni, ki se oddajajo pri beta razpadu, se včasih imenujejo beta delci ali beta žarki. Pospeševalniki služijo kot vir elektronov višje energije.

Gibanje elektronov v kovinah in polprevodnikih olajša prenos in nadzor energije. Ta pojav ( električni tok ) je eden od temeljev sodobne civilizacije in se uporablja skoraj povsod v industriji, komunikacijah, računalništva, elektronike in v vsakdanjem življenju. Hitrost premikanja elektronov v prevodnikih je izjemno nizka ( ~ 0,1-1 mm/s ), vendar se električno polje širi s svetlobno hitrostjo . V zvezi s tem se tok v celotnem vezju vzpostavi skoraj v trenutku.

Elektronski žarki, pospešeni na visoke energije, na primer v linearnih pospeševalnikih , so eno glavnih orodij za preučevanje strukture atomskih jeder in narave elementarnih delcev. Bolj prozaične aplikacije elektronskih žarkov so televizorji in monitorji s katodnimi cevmi (CRT) - slikovne cevi . Elektronski mikroskop izkorišča tudi sposobnost elektronskih žarkov, da upoštevajo zakone elektronske optike . Pospešeni elektronski žarki se uporabljajo tudi za ustvarjanje rentgenskih žarkov : ko elektronski žarek zadene kovinsko tarčo, se elektroni razpršijo z elektrostatičnim poljem atomskih jeder in nastanejo elektroni in nastane zavorno svetlobo . Pred izumom tranzistorjev je skoraj vsa radijska tehnika in elektronika temeljila na vakuumskih elektronskih ceveh , kjer gibanje elektronov v vakuumu nadzorujejo električna (včasih magnetna) polja. Elektrovakuumske naprave (EVP) se v našem času še vedno uporabljajo v omejenem obsegu. Najpogostejše aplikacije so magnetroni v generatorjih mikrovalovne pečice in prej omenjene katodne cevi v televizorjih in monitorjih.

Elektronski žarki se uporabljajo v napravah za čiščenje dimnih plinov [23] in v napravah za vrtanje kamnin [24] .

Elektron kot kvazidelec

Če je elektron v periodičnem potencialu , se njegovo gibanje obravnava kot gibanje kvazidelca [25] . Njegova stanja so opisana s kvazivalovnim vektorjem . Glavna dinamična značilnost v primeru kvadratnega zakona disperzije je efektivna masa , ki se lahko bistveno razlikuje od mase prostega elektrona in je v splošnem primeru tenzor [26] .

Elektron in vesolje

Stotinko sekunde po velikem poku je bilo vesolje sestavljeno iz mešanice elektronov, pozitronov, nevtrinov, fotonov, protonov in nevtronov. Za vsak proton in nevtron je bilo približno milijardo elektronov, pozitronov, nevtrinov in fotonov. Približno 14 sekund po velikem poku, ko je temperatura vesolja padla na 3 milijarde stopinj , so skoraj vsi elektroni izničeni s pozitroni [27] .

Znano je [28], da je od vsakih 100 nukleonov v vesolju 87 protonov in 13 nevtronov (slednji so večinoma del helijevih jeder). Za zagotovitev splošne nevtralnosti snovi mora biti število protonov in elektronov enako. Gostota barionske mase (opažena z optičnimi metodami), ki jo sestavljajo predvsem nukleoni, je dobro znana (en nukleon na 0,4 kubičnega metra ) [29] . Ob upoštevanju polmera opazovanega vesolja ( 13,7 milijard svetlobnih let) je mogoče izračunati, da je število elektronov v tem volumnu ~ 10 80 , kar je primerljivo z velikimi Diracovimi številkami .

Električni naboj elektrona, Planckova konstanta in hitrost svetlobe določajo konstanto fine strukture , ki določa intenzivnost elektromagnetnih interakcij:

...

Masa elektrona, električni naboj elektrona in Planckova konstanta določajo značilno velikost atomov ( Bohrov polmer ):

glej [30] .

Radijska emisija radijskih galaksij in pulsarjev je razložena s sinhrotronsko emisijo elektronov v magnetnih poljih okoli teh objektov. Delež elektronov z energijami, ki presegajo 1 GeV v primarnih kozmičnih žarkih, je približno 1 % celotnega toka [31] .

Tlak degeneriranega elektronskega plina igra pomembno vlogo v zadnji fazi evolucije zvezd. Po ohlajanju se zvezde z maso, manjšo od Chandrasekharjeve meje , stabilizirajo s pritiskom degeneriranega elektronskega plina in se spremenijo v bele pritlikavke . Pri zvezdah z večjo maso atomska jedra ujamejo elektrone in razpadejo v nevtrone ( nevtronska zvezda ) [32] . Jedrske reakcije, ki vključujejo elektrone in pozitrone, imajo pomembno vlogo pri eksplozijah supernov [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.