Электрон

Поделись знанием:
Это текущая версия страницы, сохранённая 178.19.251.78 (обсуждение) в 10:10, 29 октября 2016. Вы просматриваете постоянную ссылку на эту версию.

(разн.) ← Предыдущая | Текущая версия (разн.) | Следующая → (разн.)
Перейти к: навигация, поиск
Электрон

<tr> <th>Символ</th> <td><math>e, ~e^-</math></td> </tr><tr> <th>Состав</th> <td>Фундаментальная частица</td> </tr><tr> <th>Семья</th> <td>Фермион</td> </tr><tr> <th>Группа</th> <td>Лептон</td> </tr><tr> <th>Участвует во взаимодействиях</th> <td>гравитационное[1], слабое и электромагнитное</td> </tr><tr> <th>Античастица</th> <td>Позитрон</td> </tr><tr> <th>Масса</th> <td>9,10938356(11)·10−31 кг[2],
0,5109989461(31) МэВ[2],
5,48579909070(16)·10-4 а.е.м.[2]</td> </tr><tr> <th>Время жизни</th> <td>∞ (не менее 6,6·1028 лет[3][4])</td> </tr><tr> <th colspan=2 align=center>Квантовые числа</th> </tr><tr> <th>Электрический заряд</th> <td>−1,6021766208(98)·10−19 Кл[2]</td> </tr><tr> <th>Барионное число</th> <td>0</td> </tr><tr> <th>Лептонное число</th> <td>+1</td> </tr><tr> <th>Спин</th> <td>1/2 ħ</td> </tr><tr> <th>Внутренняя чётность</th> <td>1</td> </tr><tr> <th>Изотопический спин</th> <td>0</td> </tr>

Электро́н (от др.-греч. ἤλεκτρον — янтарь[5]) — стабильная, отрицательно заряженная элементарная частица. Считается фундаментальной и является одной из основных структурных единиц вещества. Классифицируется как фермион (обладает спином равным ½) и как лептон. Единственный (наравне со своей античастицей — позитроном) из известных заряженных лептонов, являющийся стабильным. Электроны образуют электронные оболочки атомов, строение которых определяет большинство оптических, электрических, магнитных, механических, химических свойств вещества.[6] Движение электронов обусловливает протекание электрического тока в проводниках.

Свойства

Заряд электрона неделим и равен −1,6021766208(98)·10−19 Кл[2] (или −4,80320427(13)·10−10 ед. заряда СГСЭ в системе СГСЭ или −1,6021766208(98)·10−20 ед. СГСМ в системе СГСМ); он был впервые непосредственно измерен в экспериментах А. Ф. Иоффе (1911) и Р. Милликена (1912). Эта величина служит единицей измерения электрического заряда других элементарных частиц (в отличие от заряда электрона, элементарный заряд обычно берётся с положительным знаком). Масса электрона равна 9,10938356(11)·10−31 кг.[2]

<math>{m_e}=9,10938356(11)~{\cdot}~10^{-31}</math> кг[2] — масса электрона.

<math>{e_0}=-1,6021766208(98)~{\cdot}~10^{-19}</math> Кл[2] — заряд электрона.

<math>{\frac{e_0}{m_e}}=-1,758820024(11)~{\cdot}~10^{11}</math> Кл/кг[2] — удельный заряд электрона.

<math>s={\frac{1}{2}}</math> — спин электрона в единицах <math>\hbar.</math>

В отличие от большинства других известных науке частиц, электрон стабилен (более точно, в пределах чувствительности эксперимента его время жизни не менее 6,6·1028 лет с 90%-ной доверительной вероятностью[3]). Распаду свободного электрона на нейтрино и фотоны препятствует закон сохранения электрического заряда, а распаду на другие элементарные частицы препятствует закон сохранения энергии.

Согласно современным представлениям физики элементарных частиц, электрон неделим и бесструктурен (как минимум до расстояний 10−20 см)[7][8][9]. Внутренняя чётность электрона равна 1.[10] Электрон участвует в слабом, электромагнитном и гравитационном взаимодействиях. Примерами участия электрона в слабых взаимодействиях являются бета-распад и электронный захват. Он принадлежит к группе лептонов и является (вместе со своей античастицей, позитроном) легчайшим из заряженных лептонов и легчайшей элементарной частицей, имеющей электрический заряд. До открытия массы нейтрино электрон считался наиболее лёгкой из массивных частиц — его масса примерно в 1836 раз меньше массы протона. Спин электрона равен 12, и, таким образом, электрон относится к фермионам.

Как и любая заряженная частица со спином, электрон обладает магнитным моментом, причем магнитный момент делится на нормальную часть и аномальный магнитный момент. В 1989 г. Г. Демельту была присуждена Нобелевская премия по физике за измерение магнитного момента электрона с точностью до <math>13</math> знаков после запятой[7][8].

Иногда к электронам относят как собственно электроны, так и позитроны (например, рассматривая их как общее электрон-позитронное поле, решение уравнения Дирака), особенно в тех задачах, когда их общие свойства более существенны, чем различия. При таком выборе терминов отрицательно заряженный электрон называют[11] негатроном[12], положительно заряженный — позитроном.

Находясь в периодическом потенциале кристалла, электрон рассматривается как квазичастица, эффективная масса которой может значительно отличаться от массы электрона.

Свободный электрон не может поглотить фотон, хотя и может рассеять его (см. эффект Комптона).

Этимология и история открытия

<imagemap>: неверное или отсутствующее изображение

Название «электрон» происходит от греческого слова ἤλεκτρον, означающего «янтарь»: ещё в древней Греции естествоиспытателями проводились эксперименты — куски янтаря тёрли шерстью, после чего те начинали притягивать к себе мелкие предметы. Термин «электрон» как название фундаментальной неделимой единицы заряда в электрохимии был предложен[13] Дж. Дж. Стоуни в 1894 (сама единица была введена им в 1874). Открытие электрона как частицы принадлежит Э. Вихерту[14][15] и Дж. Дж. Томсону, который в 1897 установил, что отношение заряда к массе для катодных лучей не зависит от материала источника. (см. Открытие электрона)

Открытие волновых свойств[16]. Согласно гипотезе де Бройля (1924), электрон (как и все другие материальные микрообъекты) обладает не только корпускулярными, но и волновыми свойствами.

Де-бройлевская длина волны электрона равна <math>\lambda = \frac{h}{p}</math>, где <math>h</math> — постоянная Планка, <math>p</math> — импульс электрона. В нерелятивистском случае <math>v \ll c</math> она равна <math>\lambda = \frac{h }{m_{e} v}</math>, где <math>v</math> — скорость движения электрона, <math>m_{e}</math> — масса электрона. В ультрарелятивистском случае <math>v \rightarrow c, E \gg m_{e} c^2</math> она равна <math>\lambda = \frac{h c}{E}</math>, где <math>c</math> — скорость света, <math>E</math> — энергия электрона.

В соответствии с этим электроны, подобно свету, могут испытывать интерференцию и дифракцию. Волновые свойства электронов были экспериментально обнаружены в 1927 американскими физиками К. Дэвиссоном и Л. Джермером (Опыт Дэвиссона — Джермера) и независимо английским физиком Дж. П. Томсоном[17][18].

Использование

В большинстве источников низкоэнергетичных электронов используются явления термоэлектронной эмиссии и фотоэлектронной эмиссии. Высокоэнергетичные, с энергией от нескольких кэВ до нескольких МэВ, электроны излучаются в процессах бета-распада и внутренней конверсии радиоактивных ядер. Электроны, излучаемые в бета-распаде, иногда называют бета-частицами или бета-лучами. Источниками электронов с более высокой энергией служат ускорители.

Движение электронов в металлах и полупроводниках позволяет легко переносить энергию и управлять ею. Это явление (электрический ток) является одной из основ современной цивилизации и используется практически повсеместно в промышленности, связи, информатике, электронике, в быту. Скорость дрейфа электронов в проводниках крайне мала (~0,1—1 мм/с), однако электрическое поле распространяется со скоростью света. В связи с этим ток во всей цепи устанавливается практически мгновенно.

Пучки электронов, ускоренные до больших энергий, например, в линейных ускорителях, являются одним из основных средств изучения строения атомных ядер и природы элементарных частиц. Более прозаическим применением электронных лучей являются телевизоры и мониторы с электронно-лучевыми трубками (ЭЛТ) — кинескопами. Электронный микроскоп также использует способность электронных пучков подчиняться законам электронной оптики. До изобретения транзисторов практически вся радиотехника и электроника были основаны на вакуумных электронных лампах, где применяется управление движением электронов в вакууме электрическими (иногда и магнитными) полями. Электровакуумные приборы (ЭВП) продолжают ограниченно использоваться и в наше время. Наиболее распространённые применения — магнетроны в генераторах микроволновых печей и вышеупомянутые электронно-лучевые трубки в телевизорах и мониторах.

Электрон как квазичастица

Если электрон находится в периодическом потенциале, его движение рассматривается как движение квазичастицы[19]. Его состояния описываются квазиволновым вектором. Основной динамической характеристикой в случае квадратичного закона дисперсии является эффективная масса, которая может значительно отличаться от массы свободного электрона и в общем случае является тензором[20].

Электрон и Вселенная

Через сотую долю секунды после Большого взрыва Вселенная состояла из смеси электронов, позитронов, нейтрино, фотонов, протонов, нейтронов. На каждые протон и нейтрон приходилось, приближённо, по миллиарду электронов, позитронов, нейтрино и фотонов. Примерно через <math>14</math> секунд после Большого взрыва, когда температура Вселенной снизилась до <math>3</math> млрд. градусов, почти все электроны аннигилировали с позитронами.[21]

Известно[22], что из каждых 100 нуклонов во Вселенной, 87 являются протонами и 13 — нейтронами (последние в основном входят в состав ядер гелия). Для обеспечения общей нейтральности вещества число протонов и электронов должно быть одинаково. Плотность барионной (наблюдаемой оптическими методами) массы, которая состоит в основном из нуклонов, достаточно хорошо известна (один нуклон на 0,4 кубического метра)[23]. С учётом радиуса наблюдаемой Вселенной (13,7 млрд световых лет) можно подсчитать, что число электронов в этом объёме составляет ~1080, что сопоставимо с большими числами Дирака.

Электрический заряд электрона, постоянная Планка и скорость света определяют постоянную тонкой структуры, определяющую интенсивность электромагнитных взаимодействий: <math>\alpha = \frac{e^2}{\hbar c} \approx \frac{1}{137}</math>.

Масса электрона, электрический заряд электрона и постоянная Планка определяют характерный размер атомов (Боровский радиус): <math>r = \frac{\hbar^{2}}{me^{2}} = 0,5 * 10^{-8}</math> см.[24]

Радиоизлучение радиогалактик и пульсаров объясняется синхротронным излучением электронов в магнитных полях около этих объектов. Доля электронов с энергией, превышающей <math>1</math> Гэв, в первичных космических лучах составляет около <math>1%</math> от общего потока.[25]

Давление вырожденного электронного газа играет важную роль на заключительном этапе эволюции звезд. Звезды с массой меньше чандрасекаровского предела после охлаждения стабилизируются давлением вырожденного электронного газа и превращаются в белые карлики. В звездах с большей массой атомные ядра захватывают электроны и распадаются на нейтроны (нейтронная звезда)[26]. Ядерные реакции с участием электронов и позитронов играют важную роль при взрывах сверхновых звезд[27].

С электроном связаны четыре физических величины, имеющих размерность длины[28]:

Все электроны во Вселенной абсолютно одинаковы по своим свойствам. Если обозначить величину электрического заряда электрона как <math>e</math>, то электрические заряды всех известных элементарных частиц, за исключением кварков, равны <math>\pm e, 0</math>, а электрические заряды кварков равны <math>\pm \frac{1}{3}e, \pm \frac{2}{3}e</math>. Масса электрона резко выделяется в распределении известных элементарных частиц по массам [29]. Классический радиус электрона почти равен радиусу действия ядерных сил. [30].Объяснение этих фактов представляет собой нерешённую проблему современной физики.

Если бы масса электрона превышала разность масс нейтрона и протона, то химический состав Вселенной коренным бы образом изменился. В ней отсутствовал бы водород, а следовательно, звезды в их обычном понимании, жизнь.[31]

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

Орбиталь

Орбиталь — в многоэлектронной системе — одноэлектронная волновая функция[32].

Для описания атомных и молекулярных многоэлектронных систем вместо точного решения уравнения Шрёдингера приходится обращаться к тем или иным приближениям, одним из которых является одноэлектронное или (другое название) — орбитальное. 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[32].

См. также

Примечания

  1. [elementy.ru/lib/430525 Удивительный мир внутри атомного ядра Вопросы после лекции]
  2. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 physics.nist.gov/cuu/Constants/Table/allascii.txt Fundamental Physical Constants — Complete Listing
  3. 1 2 Agostini M. et al. (Borexino Coll.) (2015). [link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.115.231802 "Test of Electric Charge Conservation with Borexino"] Check |url= value (help). Physical Review Letters 115 (23): 231802. arXiv:1509.01223. doi:10.1103/PhysRevLett.115.231802. 
  4. H. O. Back et al. Search for electron decay mode e → γ + ν with prototype of Borexino detector // Phys. Lett. B. — 2002. — Т. 525. — С. 29—40. — DOI:10.1016/S0370-2693(01)01440-X.
  5. Также то же, что и электрум: «янтарного цвета сплав золота (80 %) с серебром (20 %)» (Черных П. Я. Историко-этимологический словарь).
  6. [dic.academic.ru/dic.nsf/enc_physics/158/%D0%90%D0%A2%D0%9E%D0%9C Атом] // Физическая энциклопедия / Д. М. Алексеев, А. М. Балдин, А. М. Бонч-Бруевич, А. С. Боровик-Романов, Б. К. Вайнштейн, С. В. Вонсовский, А. В. Гапонов-Грехов, С. С. Герштейн, И. И. Гуревич, А. А. Гусев, М. А. Ельяшевич, М. Е. Жаботинский, Д. Н. Зубарев, Б. Б. Кадомцев, И. С. Шапиро, Д. В. Ширков; под общ. ред. А. М. Прохорова. — М.: Советская энциклопедия, 1988. — Т. 1. — 707 с. — 100 000 экз.
  7. 1 2 Демельт Х. [ufn.ru/ru/articles/1990/12/e/ "Эксперименты с покоящейся изолированной субатомной частицей"] // УФН, т. 160 (12), с. 129–139, 1990
  8. 1 2 Nobel lecture, December, 8, 1989, Hans D. Dehmelt [Experiments with an isolated subatomic particle at rest www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1989/dehmelt-lecture.pdf]
  9. Смондырев М. А. Квантовая электродинамика на малых расстояниях // Природа. — 1980. — № 9. — С. 74—77.
  10. Широков, 1972, с. 67.
  11. По предложению Карла Андерсона, открывшего позитрон в 1932 году.
  12. K. P. Beuermann 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.
    H. Ejiri 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 J. G. Skibo, R. Ramaty Primary and Secondary Cosmic Ray Positrons and Electrons // 23rd International Cosmic Ray Conference. — 1993. — Vol. 2. — P. 132—135. — Bibcode: [adsabs.harvard.edu/abs/1993ICRC....2..132S 1993ICRC....2..132S].: «Hereafter, the term electron will refer to positrons and negatrons».
  13. Stoney, G. Johnstone, «[www.chemteam.info/Chem-History/Stoney-1894.html Of the 'Electron,' or Atom of Electricity]». Philosophical Magazine. Series 5, Volume 38, p. 418—420 October 1894.
  14. Wiechert E. // Schriften d. phys.-ökon. Gesell. zu Königsberg in Pr. 1897. 38. Jg. № 1. Sitzungsber. S. 3-16.
  15. Быков Г. В. К истории открытия электрона // Вопросы истории естествознания и техники. 1963. Вып. 15. С. 25-29.
  16. БСЭ
  17. Томсон Г.П. Семидесятилетний электрон // УФН. — 1968. — № 2. — С. 361—370. — ISSN 1996-6652. — URL: ufn.ru/ru/articles/1968/2/f/
  18. Томсон Г.П. Ранний этап изучения дифракции электронов // УФН. — 1969. — № 11. — С. 455—468. — ISSN 1996-6652. — URL: ufn.ru/ru/articles/1969/11/d/
  19. Киттель, Ч. Квантовая теория твердых тел. — М.-Л.: Наук, 1967. — С. 103
  20. Давыдов, А. С. Теория твердого тела. — М.: Мир, 1979. — С. 122
  21. Вайнберг С. Первые три минуты. — М.: Эксмо, 2011. — 208 с. — ISBN 978-5-699-46169-1.
  22. Richard N. Boyd [dx.doi.org/10.1016/S0375-9474(00)00707-7 Big bang nucleosynthesis] // Nuclear Physics A. — 2001. — Т. 693, № 1-2. — С. 249-257.
  23. [pdg.lbl.gov/2007/reviews/astrorpp.pdf ASTROPHYSICAL CONSTANTS AND PARAMETERS]
  24. Смородинский Я. А. Законы и парадоксы элементарных частиц // Физика наших дней. Сборник — М.: Знание, 1972. — С. 90—91.
  25. Дорман Л.И. Экспериментальные и теоретические основы астрофизики космических лучей. — М.: Наука, 1975. — 464 с.
  26. Широков, 1972, с. 552.
  27. Широков, 1972, с. 558.
  28. Щёлкин К.И. Физика микромира. — М.: Атомиздат, 1965. — 230 с.
  29. Розенталь И.Л., Архангельская И. В. Геометрия, динамика, Вселеннная. — М.: Едиториал УРСС, 2003. — С. 175. — ISBN 5-354-00413-6.
  30. Вайскопф В. Физика в двадцатом столетии. — М.: Атомиздат, 1977. — С. 103.
  31. Новиков И.Д. Как взорвалась Вселенная. — М.: Наука, 1988. — 141 с. — ISBN 5-02-013881-9.
  32. 1 2 Дмитриев, Электрон глазами химика, 1986, с. 65.

Литература

  • Все известные свойства электрона систематизированы в обзоре Particle Data Group [pdg.lbl.gov/2012/listings/rpp2012-list-electron.pdf] (англ.).
  • М. П. Бронштейн 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.
 Квантовая электродинамикапор