Электрон (частица)

Материал из Гуру — мира словарей и энциклопедий
Перейти к: навигация, поиск

«Электрон» имеет и другие значения...


Электро́н — легчайшая стабильная отрицательно заряженная элементарная частица, одна из основных структурных единиц вещества. Заряд электрона равен −1,602176487(40)×10−19 Кл (или −4,80320427(13)×10−10 ед. СГСЭ в системе СГС); наиболее точно он был измерен в независимых экспериментах Р. Милликена в 1909-1911 гг. и А. Ф. Иоффе в 1911-1913 гг. Эта величина служит единицей измерения электрического заряда других элементарных частиц (в отличие от заряда электрона, элементарный заряд обычно берётся с положительным знаком).

<math>~{m_e}=9,10938215(45)~{\cdot}~10^{-31}</math> кг — масса электрона. [1]

<math>~{e_0}=-1,602176487(40)~{\cdot}~10^{-19}</math> Кл — заряд электрона.

<math>~{\frac{e_0}{m_e}}=-1,758804786~{\cdot}~10^{11}</math> Кл/кг — удельный заряд электрона на единицу массы.

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

Согласно представлениям физики элементарных частиц, электрон считается неделимым и бесструктурным (как минимум до расстояний 10−17 см). Электрон участвует в слабом взаимодействии, электромагнитных и гравитационных взаимодействиях. Он принадлежит к группе лептонов и является (вместе со своей античастицей, позитроном) легчайшим из заряженных лептонов. При столкновениях электронов и позитронов они аннигилируют. Электрон-позитронная пара может родиться от гамма-кванта достаточной энергии вблизи ядра. [2] Самопроизвольный распад как электрона, так и позитрона, будет противоречить закону сохранения электрического заряда, поэтому данные элементарные частицы стабильны.

До открытия массы нейтрино электрон считался наиболее лёгкой из массивных частиц — его масса примерно в 1836 раз меньше массы протона. Квантовомеханический спин электрона равен 1/2, и, таким образом, электрон относится к фермионам. Как и любая заряженная частица со спином, электрон в квантовой механике обладает магнитным моментом, причем магнитный момент делится на нормальную часть в виде магнетона Бора и на аномальный магнитный момент. Иногда к электронам относят как собственно электроны, так и позитроны (например, рассматривая их как общее электрон-позитронное поле в решении уравнения Дирака). В этом случае отрицательно заряженный электрон называют негатроном, а положительно заряженный – позитроном.

Электроны принадлежат к первому поколению семейства лептонных частиц. Они имеют квантовомеханические свойства как частицы, так и волны, поскольку могут сталкиваться с другими частицами и отражаться подобно свету. Каждый электрон имеет некоторое квантовое состояние, определяемое при измерении его параметров – энергии, спиновой ориентации и др. Являясь фермионами, любые два электрона не могут находиться одновременно в одном и том же квантовом состоянии; это свойство известно как принцип Паули.

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

Движение свободных электронов обуславливает такие явления, как электрический ток в проводниках и вакууме, магнетизм и термоэдс. Заряд движущегося электрона создаёт в окружающем пространстве магнитное поле, в то же время внешнее магнитное поле отклоняет электрон от движения по прямой линии. Ускоряемый электрон может поглощать и излучать энергию излучения в виде фотонов. Из электронов состоят электронные оболочки атомов, где их число и положение определяет все химические свойства вещества. Основную массу атомов составляют протоны и нейтроны, входящие в состав ядра, тогда как на долю электронов приходится менее 0,06 % всей массы атома. Одной из основных сил, удерживающих электроны возле ядра, является электрическая сила Кулона от протонов ядра. При образовании молекул из атомов и возникновении химической связи происходит перераспределение электронов в пространстве между атомами.

Во всех процессах рождения электронов как правило участвуют нуклоны или более тяжёлые адроны. Радиоактивные изотопы могут излучать электроны и позитроны при бета-распаде. Лабораторные приборы позволяют изучать отдельные электроны, а телескопы могут детектировать излучение от электронов в удалённых плазменных облаках. Электронная плазма имеет множество применений, включая плазменную сварку, рентгеновские трубки, электронные микроскопы, радиационную терапию, лазеры и ускорители частиц.

Этимология и история открытия[править]

Название «электрон» происходит от греческого слова ήλεκτρον, означающего «янтарь»: ещё в древней Греции естествоиспытателями проводились эксперименты – куски янтаря натирали шерстью, после чего те начинали притягивать к себе мелкие предметы. Концепция неделимого количества электричества появилась для объяснения химических свойств атомов, начиная с 1838 г. у английского философа-натуралиста Ричарда Ламинга (Richard Laming). [3] Термин «электрон» как название фундаментальной неделимой единицы заряда в электрохимии был предложен ирландским физиком Дж. Дж. Стоуни в 1894 г. (сама единица заряда была введена им в 1874 г. при изучении законов электролиза). [4]

Открытие[править]

Начиная с 1869 г. Johann Wilhelm Hittorf, и с 1876 г. Eugen Goldstein, оба немецкие физики, изучали свойства катодных лучей. Английский учёный William Crookes в своих работах 1870-1879 гг. пытался понять отрицательный заряд катодных лучей, который вытекал из притяжения лучей к аноду и из их отклонения в магнитном поле. В 1890 г. английский физик Артур Шустер (Arthur Schuster) впервые предпринял попытку определения отношения заряда к массе для частиц катодных лучей. [5]

Открытие электрона как отдельной частицы принадлежит группе английских физиков (Таунсенд, Вильсон) во главе с Дж. Дж. Томсоном, которые в 1897 г. установили, что отношение заряда к массе для катодных лучей не зависит от материала источника, и сделали оценки массы и заряда электрона. [6]

Во время изучения естественной флуоресценции минералов в 1896 г. французский физик Генри Беккерель открыл, что они излучают радиацию сами по себе, без поглощения энергии извне. Такие радиоактивные материалы привлекли интерес новозеландского физика Эрнеста Рутерфорда, который обнаружил у них излучение частиц. Он назвал их альфа и бета-частицами, с учётом их проникающей способности. [7] В 1900 г. Беккерель показал, что бета-лучи, излучаемые радием, могут отклоняться электрическим полем, а отношение их массы к заряду такое же, как у катодных лучей. [8] Это было ярким свидетельством того, что электроны являются некоторыми компонентами атомов. Когда группа физиков во главе с Томсоном измеряли электронный заряд, они использовали заряженные водные капли, полученные электролизом. Более точные результаты получил американский физик Роберт Милликен в 1909 г. в его опыте с падением заряженных капель масла в электрическом поле, с возникающей при этом электрической силой, уравновешивающей силу тяжести. В 1911 г. Милликен опубликовал свои результаты, указав, что его устройство могло измерять электрический заряд от 1–150 ионов с погрешностью порядка 0,3 %. [9] В 1911 Абрам Иоффе повторил результаты Милликена, но на заряженных частичках металла, опубликовав результаты в 1913 г. [10] [11]

В начале 20 века было найдено, что при определённых условиях быстродвижущаяся заряженная частица может стать причиной конденсации водных паров вдоль своей траектории. В 1911 г. Чарльз Вилсон (Charles Wilson) использовал этот принцип для построения пузырьковой камеры, позволившей с помощью фотографии запечатлеть траектории электронов. Такие и другие детекторы частиц дают возможность изучать даже отдельные частицы. [12]

Атомная теория[править]

К 1914 г. на основе физических экспериментов, проведёнными Эрнестом Рутерфордом, Генри Мозли, Джеймсом Франком и Густавом Герцем была в основном установлена структура атома. Атом состоит из плотного малого по размерам положительно заряженного ядра, и окружающих его в виде облака электронов. [13] В 1913 г. датский физик Нильс Бор постулировал, что электроны в атоме находятся в квантованных энергетических состояниях, энергии которых зависят от момента импульса электронов на орбитах возле ядра. Изменение энергетических состояний электрона и переход из одного состояния в другое сопровождается поглощением или излучением фотонов соответствующей энергии и частоты. На основе такого подхода Бор весьма точно объяснил спектральные линии водорода, возникающие при пропускании импульсов электрического тока или при нагревании водородного газа. [14] Однако модель атома Бора не позволяет найти относительные интенсивности спектральных линий и становится малопригодной при объяснении спектров более сложных атомов. [13]

Химические связи между атомами были объяснены в 1916 г. Льюисом (Gilbert Newton Lewis) в том предположении, что ковалентная связь возникает в результате обмена двумя электронами между атомами. [15] В 1923 г. Walter Heitler и Fritz London дали обоснование образованию электронных пар и химической связи с помощью квантовой механики. [16] Несколько ранее, в 1919 г. американский химик Ирвин Ленгмюр (Irving Langmuir) развил статическую модель атома Льюиса и предположил, что электроны распределяются концентрическими сферами одинаковой толщины. [17] Атомные электронные оболочки в свою очередь разделены на ячейки, содержащие по два электрона. В этой модели Ленгмюру удалось объяснить качественно химические свойства всех атомов в периодической таблице. [16] Как известно, свойства химических элементов повторяются в каждой последующей строке таблицы Менделеева согласно периодическому закону. [18]

В 1924 г. австрийский физик Вольфганг Паули нашёл, что оболочечная структура атома может быть описана набором из четырёх параметров, определяющих квантовое состояние, причём у каждого электрона согласно принципу Паули своё собственное квантовое состояние. [19] Один из параметров, имеющих два возможных значения, был выражен Дж. Уленбеком и С. Гаудсмитом через собственный момент импульса или спин электрона. [13] [20]

С помощью спина стало возможным объяснить расщепление спектральных линий и их тонкую структуру, наблюдаемую в спектрографах высокого разрешения. [21]

Квантовая механика[править]

В своей диссертации 1924 г. Recherches sur la théorie des quanta, французский физик Луи де Бройль высказал гипотезу о том, что материальные частицы имеют двойственную природу, обнаруживая свойства и частицы и волны одновременно. [22] Свет также имеет дуальную природу, проявляясь как волна, а также и в виде частиц – фотонов. Волны, связанные с движением частиц, носят название волны де Бройля. Эти волны обнаруживаются в экспериментах с электронами и другими частицами, с размерами вплоть до атомов. Можно считать, что частица проявляет свои корпускулярные свойства, пока её положение в пространстве определено в каждый момент времени, видна траектория движения и её изменение под действием сил. Волновые свойства света хорошо видны при интерференции света на параллельных щелях. В 1927 г. интерференционный эффект на пучке электронов обнаружил английский физик Георг Томсон (George Paget Thomson) с помощью тонкой металлической плёнки. В это же время американские физики Клинтон Дэвиссон (Clinton Davisson) и Лестер Джермер (Lester Germer) нашли волновые свойства электронов, используя кристалл никеля. [23]

Успех гипотезы де Бройля привёл в 1926 г. к публикации Эрвином Шрёдингером его знаменитого уравнения, описывающего распространение электронных волн. [24] Волновое уравнение определяет не кинематическое движение центра электрона как частицы, а предсказывает вероятность его нахождения в каждой точке пространства в заданный момент времени. Такой подход к описанию явлений получил название квантовая механика и был успешно применён при вычислении энергетических состояний электрона в атоме водорода. [25] В 1927 г. Паули ввёл в квантовую теорию спин, что с учётом взаимодействия электронов друг с другом дало возможность объяснить и конфигурации многоэлектронных атомов. Здесь однако возникает трудность в связи с существенным усложнением уравнений для волновой функции, так что их приходится решать численно либо получать упрощенные выражения, не всегда дающие желательную точность. В 1928 г. на основе работ Паули английский физик Поль Дирак сформулировал уравнение Дирака, описывающее релятивистское движение электрона. [26] С целью разрешить некоторые проблемы с его релятивистским уравнением, в 1930 г. Дирак предложил модель вакуума с бесконечным множеством частиц, имеющих отрицательную энергию, которая получила название море Дирака. Это привело его к предсказанию существования позитрона, являющегося античастицей по отношению к электрону. [27] Позитрон был открыт в 1932 г. Карлом Андерсеном (Carl D. Anderson). Он предложил называть отрицательно заряженные электроны негатронами, а положительно заряженные электроны позитронами. Иногда название 'негатрон' используется, в том числе и в виде 'негатон'. [28] [29]

Первое экспериментальное отклонение от теории Дирака было обнаружено в 1947 г. в опыте Лэмба (Willis Eugene Lamb) и Ризерфорда (Robert Retherford), который показал так называемый лэмбовский сдвиг между различными квантовыми состояниями электрона с одной и той же энергией в атоме водорода. Одновременно с этим Polykarp Kusch, работавший с Henry M. Foley, открыл, что магнитный момент электрона несколько превышает значение, вытекающее из теории Дирака. Позднее эта малая добавка была названа аномальным магнитным дипольным моментом электрона. Для её объяснения была развита соответствующая версия квантовой электродинамики, авторами которой стали Томонага, Швингер и Фейнман. [30]

Ускорители частиц[править]

Развитие ускорителей частиц началось в первой половине 20 века и привело физиков к значительному углублению знаний о субатомных частицах. [31] Первая успешная попытка ускорения электронов с помощью магнитного поля была сделана в 1942 г. Дональдом Керстом (Donald Kerst). Его бетатрон достиг энергии электронов 2,3 МэВ (миллион электронвольт), последующие подобные ускорители достигли энергии 300 МэВ. В 1947 на синхротроне фирмы Дженерал Электрик было открыто синхротронное излучение с энергией 70 МэВ. Такое излучение возникает при ускорении электронов, движущихся почти со скоростью света в магнитном поле. [32]

Первый высокоэнергичный коллайдер с энергией пучка 1,5 ГэВ под названием ADONE начал функционировать в 1968 г. [33] Это устройство ускоряло электроны и позитроны во встречных пучках, что существенно увеличивало эффективную энергию столкновений частиц по сравнению с одним пучком и неподвижной мишенью. [34] Большой электронно-позитронный коллайдер в CERN во время работы с 1989 по 2000 гг. достиг энергии столкновений порядка 209 ГэВ, подтвердив многие предсказания стандартной модели физики элементарных частиц. [35] [36]

Свойства[править]

Классификация[править]

В стандартной модели физики элементарных частиц электроны принадлежат к группе лептонов, считающихся фундаментальными частицами. Электроны имеют наименьшую массу среди электрически заряженных лептонов и принадлежат к первому поколению фундаментальных частиц. [37]

Во втором и в третьем поколении фундаментальных частиц находятся два заряженных лептона, мюон и тау-лептон соответственно, которые одинаковы с электроном по величине заряда и спина, но являются более массивными частицами. Лептоны, будучи фермионами, имеют полуцелый спин; у электрона спин равен 1/2. В отличие от кварков для лептонов принимается, что они не участвуют в сильном взаимодействии. [38]

Если спин электрона ориентирован в том же самом направлении, что и его импульс, он называется правополяризованным, в противоположном случае – левополяризованным. Левополяризованная компонента спина электрона образует слабый изоспиновый дублет с электронным нейтрино, которое является незаряженным лептоном первого поколения фундаментальных частиц с массой, близкой к нулю. [39] Правополяризованная компонента спина электрона рассматривается как изоспиновый синглет. [40]

Полевая теория элементарных частиц классифицирует электрон как элементарную частицу с квантовым числом L=1/2 (спин = 1/2) - группа лептоны, подгруппа электрона, электрический заряд -e (систематизация по полевой теории элементарных частиц).

Фундаментальные свойства[править]

Масса электрона равна приблизительно 9,109 × 10−31 килограмм, [1] или 5,489 × 10−4 атомных единиц массы. Если исходить из принципа эквивалентности массы и энергии, масса электрона соответствует энергии покоя 0,511 МэВ. Отношение массы протона к массе электрона приблизительно равно 1836. [41] Это отношение является одной из фундаментальных констант в физике. Согласно астрономических измерений, она имеет одинаковое значение по крайней мере в течение половины возраста наблюдаемой Вселенной. [42]

Электроны имеют отрицательный электрический заряд, равный −1,602 × 10−19 Кл, [43] модуль которого используется как стандартная единица заряда различных частиц. В рамках точности экспериментов заряд электрона одинаков с зарядом протона, но противоположен по знаку. [44] Так как символ e используется для обозначения элементарного электрического заряда, то электрон в различных реакциях записывается как e, где знак минус означает отрицательный заряд. Соответственно позитрон записывается как e+, знак плюс указывает на его положительный заряд. [1] [38] Причину образования и квантования электрического заряда элементарных частиц установила полевая теория элементарных частиц.

У электрона при достижимой в настоящее время точности измерений не обнаруживается каких-либо заметных компонент, которые могли бы показать его внутреннюю субструктуру. [45] [46] Некоторые учёные считают, что в таком случае электрон является некоторой точечной заряженной частицей. [47] Структура электрического поля электрона в ближней зоне описана в разделе электрическое поле электрона статьи "Электрон в полевой теории".

Если анализировать с этой точки зрения поведение электронов в ловушке Пеннинга (названной так в честь F. M. Penning, и используемой для хранения заряженных частиц с помощью однородного магнитного и неоднородного электрического полей), то для электрона получается верхнее значение его радиуса 10−22 метров. [48] Классический радиус электрона равен 2,8179 × 10−15м. Этот радиус получается, если приравнять электростатическую энергию электрона к его энергии покоя. В электростатике потенциальная энергия пустотелой сферы с тонкой оболочкой радиуса <math>~ r</math> и с зарядом <math>~ e</math> равна:

<math>~ E_{\mathrm p} = \frac{e^2}{8\pi \varepsilon_{0} r},</math>

где <math>~ \varepsilon_{0}</math> есть электрическая постоянная. Если у электрона масса покоя <math>~ m_0, </math> то его энергия покоя будет равна:

<math>~ E_{\mathrm p} = m_0 c^2,</math>

где <math>~ c</math> есть скорость света в вакууме. Приравнивая эти две энергии, можно найти <math>~ r</math> как классический радиус электрона. [49]

Полевая теория элементарных частиц определяет радиус электрона (расстояние от центра частицы до места в котором достигается максимальная плотность массы) равным 1,98 ∙10-11 см.

Существует ряд элементарных частиц, которые испытывают спонтанный распад на другие частицы. Примером является мюон, который распадается на электрон, нейтрино и антинейтрино, с временем жизни порядка 2,2 × 10−6 секунд. В то же время электрон мыслится как стабильная частица; его распад на нейтрино и фотон означал бы несохранение электрического заряда. [50] Экспериментально определённая нижняя граница среднего времени жизни электрона равна 4,6 × 1026 лет. [51]

Квантовые свойства[править]

Хотя электрон является частицей, он проявляет и волновые свойства, например, в интерференционном эксперименте с экраном с двумя щелями. Волновая природа электрона такова, что он проходит одновременно через обе щели, в противоположность классической частице, проходящей в каждом случае лишь через одну щель. Математически волновая функция электрона в квантовой механике является функцией комплексной переменной и обозначается греческой буквой ψ. Квадрат модуля этой функции даёт вероятность того, что электрон находится в той или иной точке пространства, то есть определяет электронную плотность. [52]

Все электроны считаются одинаковыми по своим внутренним физическим свойствам. В квантовой механике это означает, что в системе взаимодействующих электронов перестановка местами двух любых электронов не должна приводить к заметному изменению состояния системы. Как у всех фермионов, у электронов волновая функция антисимметричная, меняющая свой знак при перестановке двух электронов: ψ(r1, r2) = −ψ(r2, r1), где переменные местоположения r1 и r2 соответствуют первому и второму электрону. Поскольку абсолютная величина волновой функции при смене знака не меняется, то это соответствует равенству вероятностей до и после перестановки электронов. В противоположность фермионам, у бозонов (например, у фотона) волновая функция симметрична. [52]

Вследствие антисимметричности волновой функции для электронов, находимые решения для этой функции обращаются в нуль для случая, когда два электрона имеют одинаковые квантовые числа и попадают в одно и тоже квантовое состояние. Это выражается как принцип Паули, запрещающий двум или более электронам находиться в одном и том же квантовом состоянии. Этот принцип объясняет многие свойства электронов. В частности из него следует, что электроны занимают различные электронные оболочки в атоме, вместо того, чтобы находиться на одной орбите. [52]

Виртуальные частицы[править]

Основная статья: Виртуальная частица

Физикам-теоретикам удобно представлять, что в пустом пространстве могут непрерывно создаваться пары виртуальных частиц, таких как электрон и позитрон, которые очень быстро аннигилируют друг с другом. [53] Выделяемая энергия в таких реакциях в среднем равна нулю. Произведение изменения энергии ΔE, необходимого для создания виртуальных частиц, и промежутка времени Δt образования частиц, попадает в диапазон обнаружения частиц, выражаемый принципом неопределённости Гейзенберга: ΔEΔtħ. Предполагается, что энергия ΔE черпается из энергии вакуума за время Δt, так что их произведение не превышает значения постоянной Дирака ħ ≈ 6,6 × 10−16 эВ•с. Отсюда для виртуального электрона Δt будет порядка 1,3 × 10−21 с. [54]

Если образуется виртуальная электрон-позитронная пара, между частицами должна возникнуть сила притяжения Кулона. В течение некоторого времени до своего соединения частицы существуют раздельно и представляют из себя электрический диполь. Суммарный эффект от множества виртуальных частиц в виде диполей вокруг какого-либо реального электрического заряда можно в таком случае представить как экранирование этого заряда, называемое поляризацией вакуума. Отсюда можно предположить, что эффективный заряд электрона меньше, чем его настоящий заряд, и увеличивается по мере приближения к электрону. [55] [56] Такая поляризация была подтверждена экспериментально в 1997 г. на японском ускорителе TRISTAN. [57]

Экранирующий эффект предсказывается и для массы-энергии электрона. Полная энергия покоя включает в себя энергию покоя вещества электрона, а также энергию окружающего электрического поля, зависящую от радиуса электрона. Кроме этого вакуумные флуктуации допускают рождение виртуальных пар вблизи электрона, причём возникающий позитрон может аннигилировать с первоначальным электроном, с превращением виртуального электрона в реальный. Подобные процессы с учётом влияния вакуума могут изменять полную энергию электрона. [58] Общая масса электрона называется нормированной массой, так как для её определения используется математический приём – перенормировка или ренормализация. При этом в уравнения теории возмущений подставляется найденная экспериментально масса, что в ряде случаев помогает избежать расходимости в формулах. [59]

В квантовой механике электрон имеет внутренний момент импульса или спин, равный 1/2 в единицах ħ, и магнитный момент вдоль направления спина. [1] Амплитуда спина равна <math>\sqrt {3/2} \hbar . </math> Эта амплитуда зависит от спинового момента импульса:

<math> S = \sqrt{s(s + 1)} \cdot \frac{h}{2\pi} = \frac{\sqrt{3}}{2} \hbar </math>

для квантового числа s = 1/2. [60] Проекция на выбранную ось спина электрона, как частицы со спином 1/2, квантуется и равна ±ħ/2.

Магнитный момент, связанный с орбитальным движением электрона в атоме, выражается через магнетон Бора:

<math>\mu_B=\frac{e\hbar}{2m_e}=9,274 009 15(23)\times10^{-24}</math>Дж/Тл,

который является физической константой. [1] Внутренний магнитный момент электрона почти точно равен одному магнетону Бора, с разницей 0,1 %, известной как аномальный магнитный момент и объясняемой через взаимодействие с виртуальными частицами и античастицами. [61] [62] Совпадение с высокой точностью предсказанной разности с экспериментально определёнными значениями рассматривается как одно лучших достижений квантовой электродинамики. [63]

В классической физике момент импульса и магнитный момент объекта зависят от размеров объекта. Следовательно концепция не имеющего размеров (точечного) электрона при наличии у него механического и магнитного моментов становится неясной. В качестве некоторого объяснения предлагается модель «дрожащего» электрона, когда он взаимодействует с виртуальными фотонами, возникающими в его электрическом поле. [64] Это взаимодействие при некоторых дополнительных предположениях как будто бы может привести к общему круговому вращению с прецессией, придавая физическую реальность происхождению спина и магнитного момента электрона. [47] [65]

Считается, что в атомах образование виртуальных фотонов объясняет лэмбовский сдвиг в спектральных линиях. [55]


Полевая теория элементарных частиц исключает возможность существования виртуальных частиц в природе, как игнорирующих закон сохранения энергии, а математические манипуляции над принципом неопределённости Гейзенберга считает математическими манипуляциями над законами природы.

Введение виртуального состояния для элементарных частиц потребовалось квантовой теории, поскольку в природе не нашлось переносчиков постулированных квантовой теорией, но не существующих в природе фундаментальных взаимодействий. Потребность квантовой теории в игнорировании законов природы говорит о ее несостоятельности, а не о том что эти законы нарушаются. Черпание энергии из вакуума - это математическая сказка.

Взаимодействие[править]

Возле электрона имеется электрическое поле, создающее силу притяжения для частиц с положительным зарядом, подобных протону, и силу отталкивания для частиц с отрицательным зарядом. Величина этой силы определяется законом Кулона. [66] Когда электрон находится в движении, он генерирует магнитное поле, [52] которое связано с движением электронного тока по отношению к наблюдателю согласно закону Ампера-Максвелла. Так возникает магнитное поле, которое необходимо в частности для работы электрического мотора. [67] Электромагнитное поле произвольно движущейся заряженной частицы выражается с помощью потенциалов Льенара-Вихерта, форма которых действительна даже при релятивистских скоростях движения частиц.

Когда электрон двигается в магнитном поле, он подвергается действию силы Лоренца, которая направлена перпендикулярно плоскости, определяемой векторами индукции магнитного поля и скорости электрона. Следовательно силу Лоренца можно рассматривать как центростремительную силу, заставляющую электрон двигаться по спиральной траектории через магнитное поле с радиусом вращения, называемым гирорадиус. Вследствие движения с ускорением по искривлённой траектории электрон излучает энергию в виде синхротронного излучения. [52] [68]

Излучение от нерелятивистского электрона иногда называется циклотронное излучение. Излучение энергии приводит к силе отдачи, называемой силой Абрагама-Лоренца-Дирака, замедляющей движение электрона. Причина этой силы в целом заключается в действии собственного электромагнитного поля электрона на его заряд. [69]

В квантовой механике считается, что электромагнитное взаимодействие между частицами осуществляется посредством фотонов. Отдельный электрон в отсутствие его ускорения не может поглотить или испустить фотон, поскольку это нарушает закон сохранения энергии и закон сохранения импульса. Но виртуальные фотоны в силу их предполагаемых свойств могут переносить импульс между двумя заряженными частицами. Принимается, что причиной силы Кулона является обмен виртуальными фотонами. [70] Излучение энергии движущимся электроном может иметь место тогда, когда он отклоняется такой заряженной частицей, как протон. Вследствие возникающего ускорения электрон излучает, такой процесс называется тормозное излучение. [71]

Относительная сила электромагнитного взаимодействия между двумя заряженными частицами, такими как протон и электрон, задаётся постоянной тонкой структуры. Её значение является безразмерной величиной, образованной отношением двух энергий: электростатической энергией притяжения (или отталкивания) на расстоянии, равном комптоновской длине, и энергии покоя частицы. Постоянная тонкой структуры равна α ≈ 7,297353  × 10−3, что приблизительно равно 1/137. [1]

Результат упругого столкновения между фотоном и отдельным электроном носит название комптоновское рассеяние. В результате взаимодействия происходит передача импульса между частицами, а длина волны фотона изменяется на величину, называемую комптоновским сдвигом. Изменение длины волны Δλ зависит от угла отдачи θ:

<math> \Delta \lambda = \frac{h}{mc} (1 - \cos \theta),</math>

где c – скорость света в вакууме, m – масса электрона. Максимальное значение сдвига длины волны равно h/mc, и известно как комптоновская длина волны. [72] Для электрона эта величина равна 2,43 × 10−12 м. [1]

При столкновении электрона и позитрона происходит их аннигиляция с образованием двух или более гамма-фотонов, излучаемых приблизительно под углом 180° друг к другу. В случае если у электрона и позитрона начальный импульс был мал, они могут образовать позитроний, который распадается в результате аннигиляции частиц с излучением двух гамма-фотонов с энергиями 0,511 МэВ. [73] [74] С другой стороны, высокоэнергичные фотоны могут образовать электрон и позитрон в процессе, называемом рождением пар, но только в присутствии заряженной частицы, такой как атомное ядро. [75] [76]

В теории электрослабого взаимодействия, левополяризованная компонента спина электрона образует слабый изоспиновый дублет с электронным нейтрино. Это означает, что во время слабого взаимодействия электронное нейтрино ведёт себя подобно электрону. Для каждого члена этого дублета возможно взаимодействие посредством заряженных токов с излучением или поглощением W и Z –бозонов, с преобразованием в другой член. При этом выполняется закон сохранения заряда, с учётом того, что W-бозон как переносчик взаимодействия сам несёт заряд. Взаимодействие с заряженными токами ответственно за явление бета-распада радиоактивных атомов. И электрон и электронное нейтрино согласно теории могут участвовать во взаимодействии с нейтральными токами посредством Z0-бозона, приводящего в том числе к упругому электрон-нейтринному рассеянию. [39]

Атомы и молекулы[править]

Ввиду разных знаков заряда электрон притягивается к ядру атома кулоновской силой. Волноподобное поведение электрона в атоме согласно квантовой механике описывается понятием атомной орбитали. Каждая орбиталь имеет свой собственный набор квантовых чисел, описывающих энергию, момент импульса и его проекцию. Вокруг ядра возможен только дискретный набор орбиталей. Переход электрона между орбиталями сопровождается поглощением или излучением фотонов, энергии которых равны разности энергий электрона на орбиталях. [77] Другие способы перехода электрона между орбиталями включают соударения с другими электронами или частицами, а также эффект Оже (названному по имени французского физика P. Auger). [78] Электрон может покинуть атом, если его энергия превысит энергию связи в атоме. Это имеет место при фотоэффекте, при этом разница между энергией падающего фотона и энергией ионизации передаётся электрону. [79]

Орбитальный момент импульса электрона в атоме квантуется. Поскольку электрон заряжен, он является источником магнитного момента, пропорционального моменту импульса. Полный магнитный момент атома равен векторной сумме орбитальных и спиновых моментов электронов. Спаренные электроны в атоме имеют разные квантовые спиновые числа и противоположные спины согласно принципу Паули. Поэтому магнитные моменты спаренных электронов взаимно вычитают друг друга. Вклад ядра в общий магнитный момент атома по сравнению с эффектом от электронов незначителен. [80]

Химическая связь между атомами согласно квантовой механике является результатом электромагнитного взаимодействия. [81] Самые сильные связи образуются благодаря обобществлению или переносу электронов между атомами, приводя к образованию молекул. [82]

В молекуле электроны движутся под влиянием нескольких ядер и занимают молекулярные орбитали, во многом также, как они находятся на атомных орбиталях в отдельных атомах. [83]

Основное значение в молекулярных структурах приобретают электронные пары. В таких парах электроны должны иметь противоположный спин, чтобы они могли находиться на одной орбитали не противореча принципу Паули. Различные молекулярные орбитали имеют различное пространственное распределение электронной плотности. Как правило максимальная вероятность нахождения электронов связанной в химической связи пары в молекуле достигается в небольшом объёме между ядрами. Другие пары электронов (а также отдельные несвязанные электроны) находятся в остальном достаточно большом объёме молекулы. [84]

Проводимость[править]

Если частица вещества имеет меньше или больше электронов, чем требуется для баланса всех атомных ядер, то частица будет заряжена. Такой частицей может быть и отдельный атом или молекула, тогда они называется ионом. Избыток электронов даёт отрицательно заряженный ион, недостаток – положительно заряженный ион, а при балансе положительного и отрицательного суммарных зарядов система становится нейтральной. Макроскопическое тело может получить электрический заряд в результате трения, что является одним из свойств трибоэлектричества. [85]

Отдельные электроны, движущиеся в вакууме или в среде, называются свободными электронами. При движении они создают электрический ток как поток заряда, приводящий к появлению магнитного поля. В свою очередь изменяющееся магнитное поле может создавать электрический ток в проводящей среде. Данные свойства математически описываются уравнениями Максвелла. [86]

Каждый материал имеет электрическую проводимость, зависящую от температуры. Проводимость определяет величину электрического тока, возникающего в материале при наличии разности электрических потенциалов. Примерами хороших проводников являются металлы, особенно медь и золото, тогда как стекло и тефлон являются плохими проводниками. В диэлектрических веществах электроны остаются связанными со своими атомами, и такие вещества называются изоляторами. Полупроводники имеют промежуточную проводимость, находясь по своим свойствам между проводниками и изоляторами. [87]

Состояние электронов в веществе обычно анализируют с помощью электронной зонной теории. В металлах осуществляется металлическая связь, при которой возникают несвязанные электроны, ведущие себя как газ Ферми. Под влиянием приложенного электрического поля такие электроны начинают двигаться в веществе, образуя электрический ток. [88]

Вследствие столкновений электронов с атомами скорость дрейфа электронов в проводнике невелика, порядка миллиметров в секунду. Однако скорость передачи взаимодействия в веществе от одних электронов к другим при включении напряжения или его изменении достигает величины 75 % скорости света. [89] В связи с этим ток во всей цепи устанавливается практически мгновенно. Это происходит потому, что электрические сигналы распространяются как волны, скорость которых зависит от диэлектрической проницаемости вещества. [90]

Металлы являются хорошими проводниками тепла, поскольку несвязанные электроны могут переносить тепловую энергию между атомами. В отличие от электрической проводимости, тепловая проводимость почти не зависит от температуры. Согласно закону Видемана-Франца, отношение тепловой проводимости к электрической проводимости пропорционально температуре. [88] Тепловое хаотическое движение ионов металлической решётки увеличивает электрическое сопротивление металла, определяя температурную зависимость электрического тока. [91]

При охлаждении вещества ниже критической температуры возможен фазовый переход в состояние сверхпроводимости, когда электрическое сопротивление стремится к нулю. В теории БКШ такое поведение носителей тока моделируется электронными куперовскими парами, находящимися в квантовом состоянии под названием конденсат Бозе-Эйнштейна. Куперовские пары согласно теории связываются с колебаниями решётки, называемыми фононами, что предотвращает их столкновения с атомами и приводит к сверхпроводимости. [92] Куперовские пары имеют размер порядка 100 нм и могут даже перекрывать друг друга. [93] Однако механизм возникновения высокотемпературных сверхпроводников требует дополнительного уточнения.

Электрон как квазичастица[править]

Если электрон находится в периодическом потенциале, его движение рассматривается как движение квазичастицы. 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.

Шаблон:Квазичастицы

Движение и энергия[править]

Согласно специальной теорией относительности по мере увеличения скорости электрона его релятивистская масса увеличивается, что затрудняет ускорение электрона при скоростях вблизи скорости света. В вакууме скорость электрона, ускоряемого электромагнитными силами, не может превысить скорости света c. Имеется случай, когда скорость релятивистского электрона, инжектированного в некоторую диэлектрическую среду (например, в воду), может превзойти локальную скорость света в данной среде. Тогда электрон временно движется быстрее, чем происходит распространение электромагнитного взаимодействия. В результате от взаимодействия электрона с веществом возникает так называемое черенковское излучение небольшой интенсивности. [94]

Эффекты специальной относительности определяются величиной, известной как лоренцевский фактор, и имеющей вид:

<math> \gamma = \frac{1}{\sqrt {1-v^2 /c^2}},</math>

где <math>~ v</math> есть скорость частицы. Кинетическая энергия Ke электрона при скорости <math>~ v</math> равна:

<math>~ K_e = (\gamma - 1)m_e c^2,</math>

где me есть масса электрона. В частности, линейный ускоритель в Станфорде может ускорить электрон до энергии 51 ГэВ. [95] Это даёт величину для γ, равную почти 100000, так как масса электрона в энергетических единицах равна 0,51 МэВ/c2. Соответственно релятивистский импульс такого электрона в 100000 раз превышает импульс, предсказываемый классической механикой для электрона при той же скорости. Находя из выражения для γ скорость электрона и используя аппроксимацию, получим:

<math> v = c \sqrt{1\ - \frac{1}{\gamma^2}} \approx \left(1 - \frac{1}{2} \gamma^{-2}\right)c = 0,999\,999\,999\,95\,c.</math>

Поскольку электрон имеет волновые свойства, при каждой своей скорости он имеет характерную волну де Бройля. Она определяется выражением: λe = h/p, где h есть постоянная Планка, p – импульс. [22] Для указанного выше электрона с энергией 51 ГэВ длина волны приблизительно равна 2,4 ∙10–17 м, что позволяет использовать электроны для изучения структуры атомных ядер. [96]

Возникновение[править]

Имеется несколько версий относительно того, как появились электроны в окружающем нас мире. Известен также ряд явлений, в которых электроны могут трансформироваться из материи в разных её состояниях.

Теория Большого взрыва и электрон[править]

Основная статья: Большой взрыв

Теорию Большого взрыва признает значительная часть физиков. Эта теория сводит образование электронов к моменту сотворения материального мира, произошедшего вследствие взрывообразного расширения всей Вселенной из пространственной точки с огромной первоначальной плотностью энергии. Причины такого взрыва теория не определяет, а все выводы делаются путём экстраполяции из современного состояния в прошлое в предположении, что в применении ко всей Вселенной справедлива общая теория относительности, а закон Хаббла вызван продолжающимся расширением после взрыва. [97]

В первые миллисекунды после взрыва температура должна была быть более 10 миллиардов  кельвин, а фотоны должны были иметь средние энергии более миллиона электронвольт. С такой энергией фотоны могли бы взаимодействовать друг с другом и образовывать электрон-позитронные пары в реакциях:

<math>\gamma + \gamma \leftrightarrow \mathrm e^{+} + \mathrm e^{-},</math>

где <math>~\gamma</math> обозначает фотон, <math>~ e^{+}</math> – позитрон, <math>~ e^{-}</math> – электрон. В свою очередь электрон-позитронные пары аннигилируют друг с другом с образованием фотонов, так что должно возникать некоторое равновесие между количествами данных частиц. После истечения 15 секунд с момента взрыва температура вселенной должна упасть настолько, что электрон-позитронные пары перестают образовываться из фотонов. Имеющиеся электроны и позитроны аннигилируют, приводя к гамма-излучению и кратковременному нагреву вселенной. [98]

В силу неизвестных причин во время процесса рождения лептонов мог возникнуть избыток числа электронов над числом позитронов. [99] Предполагается, что приблизительно один электрон из каждого миллиарда избежал аннигиляции с позитронами. Такой избыток мог бы соответствовать аналогичному избытку протонов над антипротонами, называемому барионная асимметрия, тем самым давая равенство нулю суммарному заряду вселенной. [100] [101]

Оставшиеся после аннигиляции с античастицами протоны и нейтроны начинают участвовать в реакциях друг с другом – в процессах, известных как нуклеосинтез, образуя изотопы водорода, гелия и небольшого количества лития. Этот процесс заканчивается на пятой минуте после начала взрыва. [102] Кроме этого, нейтроны подвергаются отрицательному бета-распаду с периодом полураспада около тысячи секунд, превращаясь в протон и электрон в реакции:

<math>\mathrm n \Rightarrow \mathrm p + \mathrm e^{-} + \bar{\mathrm \nu}_\mathrm e,</math>

где <math>~ n</math> обозначает нейтрон, <math>~ p</math> – протон, <math>~ \bar{\mathrm \nu}_\mathrm e </math> – электронное антинейтрино. В следующие 300000–400000  лет имеющиеся электроны ещё не могут соединяться с ядрами ввиду своих больших энергий. [103] Затем должен быть период рекомбинации, во время которого из ядер и электронов возникают нейтральные атомы, вследствие чего расширяющаяся вселенная становится прозрачной для излучения. [104]

В настоящее время из каждых 100 нуклонов во Вселенной 87 являются протонами и 13 – нейтронами (последние в основном входят в состав ядер гелия). [105] 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). [106] С учётом радиуса наблюдаемой Вселенной (13,7 миллиардов световых лет) можно подсчитать, что число электронов в этом объёме составляет ~1080.

Звёздная эволюция[править]

Приблизительно через один миллион лет после Большого взрыва должно было возникнуть первое поколение звёзд. [104] В недрах звёзд осуществляется звёздный нуклеосинтез, приводящий к возникновению позитронов вследствие реакций слияния атомных ядер. При аннигиляции позитронов и электронов возникает гамма-излучение. С течением времени число электронов и протонов уменьшается, а количество нейтронов растёт. В ходе звёздной эволюции происходит ещё синтез радиоактивных изотопов. Некоторые изотопы могут подвергаться бета-распаду, излучая электроны и антинейтрино из своих ядер. [107] Примером является изотоп кобальта-60 (60Co), распадающийся с образованием никеля-60 (60Ni). [108]

Расчёт гравитационного коллапса достаточно массивной звезды (более 20 солнечных масс) в рамках общей теории относительности предсказывает возможность образования чёрной дыры. [109] Согласно теории, такие массивные компактные объекты способны создавать настолько сильное гравитационное поле, что оно не позволяет даже релятивистским частицам наподобие фотонов покидать пределы объёма, ограниченного радиусом Шварцшильда. Следующее предположение делает квантовая механика – в ней допускается излучение Хокинга вблизи горизонта событий чёрных дыр. Для возникновения излучения необходимо возникновение пар виртуальных частиц и античастиц (в первую очередь электронов и позитронов) вблизи горизонта событий. При случайном направлении в пространстве скоростей частиц некоторые из них могли бы двигаться наружу, выходя за горизонт событий посредством квантового туннелирования. Если при этом энергия гравитационного поля достаточна для превращения виртуальных частиц в реальные, то они могли бы при ускорении излучать, так что такое излучение уносило бы энергию от чёрной дыры. [110] Поток излучения Хокинга увеличивается с уменьшением массы чёрной дыры, что в случае справедливости теории должно приводить к постепенному испарению чёрных дыр вплоть до их исчезновения, с переработкой вещества в излучение. [111]

Реакции с возникновением электронов[править]

По определению космические лучи состоят из частиц высокой энергии, проходящих в космосе большие расстояния. Отмечены события, в которых энергия таких частиц достигает 3,0 × 1020 эВ. [112] Столкновения частиц космических лучей с нуклонами и атомными ядрами газов земной атмосферы приводят к космическим ливням, с образованием пионов. [113] При распаде пионов возникают мюоны, которые на уровне Земли дают почти половину общего космического излучения. Мюон является массивным лептоном и сам распадается с излучением электрона или позитрона. Для случая распада отрицательного пиона <math> \mathrm \pi^{-}</math> можно записать: [114]

<math> \mathrm \pi^{-} \Rightarrow \mathrm \mu^{-} + \mathrm \nu_{\mathrm \mu},</math>
<math> \mathrm \mu^{-} \Rightarrow \mathrm e^{-} + \bar{\mathrm \nu}_\mathrm e + \mathrm \nu_{\mathrm \mu},</math>

где <math> \mathrm \mu^{-} </math> – мюон, <math> \mathrm \nu_{\mathrm \mu} </math> – мюонное нейтрино.

Модели электрона[править]

Файл:Electron structure.jpg
Структура электромагнитного поля электрона (E-постоянное электрическое поле ,H-постоянное магнитное поле, желтым цветом отмечено переменное электромагнитное поле)

.

Согласно экспериментам, в электронном веществе не видны какие-то заметные компоненты, в силу чего субструктура вещества электрона до последнего времени не обнаруживалась. Но возникает вопрос: а почему структура обязательно должна быть дискретной, и что мешает электрону состоять из электромагнитных полей, как это утверждает полевая теория элементарных частиц и в силу этого обладать непрерывной структурой с волновыми свойствами. Экспериментально установлено наличие у электрона постоянного электрического и постоянного магнитного поля. Кроме того, электрон обладает волновыми свойствами, а это является признаком волнового - переменного электромагнитного поля. Налицо все электромагнитные компоненты, к которым оперирует полевая теория элементарных частиц. Таким образом, сегодня полевая теория элементарных частиц, а вместе с ней и физика, может рассказать о структуре полей электрона.

Электрон стандартной теории[править]

Массовое возникновение электронов как частиц и необходимых составляющих материи предполагается одним из результатов Большого взрыва, породившего Вселенную. Кроме этого, исходя из гипотезы о возникновении одних элементарных частиц только из других элементарных частиц в рамках теории атомизма, электрон рождается в некоторых реакциях с частицами. В квантовой механике электрон часто рассматривается почти как точечная частица, обладающая зарядом, собственным моментом импульса или спином, а также спиновым магнитным моментом. Формально этого оказывается достаточным для описания большинства явлений с электронами. Однако имеются вопросы, для ответа на которые необходимо знать внутреннее устройство электрона. Например, нуклоны считаются состоящими из кварков, обеспечивающими заряд и магнитный момент протона и магнитный момент нейтрона. Но для лептонов, включая электроны, идея кварков применена быть не может, и причина заряда электрона, по модулю строго равного заряду протона, лежит тогда в чём-то другом. Стандартная ссылка на «элементарность» электронов и кварков не может быть принята во внимание, поскольку лишь затушёвывает проблему. Кроме этого, до сих пор в квантовой механике понятие «размер электрона» не может быть сформулировано строго и непротиворечиво.

Субстанциональная модель[править]

Субстанциональная модель электрона описывает происхождение и возникновение электрона, его различные свойства на основе теории бесконечной вложенности материи, теории подобия уровней материи, SPФ-симметрии, сильной гравитации, а также концепции динамического спина.

Для объяснения происхождения электронов используется не гипотеза Большого взрыва, а идея единообразной эволюции вещества и квантов поля в космосе на всех масштабных уровнях материи. При этом электроны оказываются необходимым следствием в эволюции нуклонов (адронов), всегда возникая в их присутствии. Отсюда вытекает равенство зарядов протона и электрона по модулю и становятся понятными реакции с возникновением электронов. Сравнение притяжения от сильной гравитации и электрической силы отталкивания от заряда электрона показывает, что электрон не может быть стабильной частицей с постоянным радиусом из-за недостаточности сил собственного притяжения. Это означает, что в атоме электрон может быть только осесимметричной фигурой в виде облака. Устойчивость электрона в атоме обеспечивается сильной гравитацией от ядра, электрическими силами от ядра и от собственного заряда электрона, а также центростремительной силой за счёт вращения. Из эволюции нуклонно-электронного вещества следует, что вещество электрона должно быть заряжено и замагниченно, при этом вещество электрона отличается от вещества нуклона так же, как вещество планет от вещества нейтронных звёзд. Последнее обеспечивает наблюдаемую в экспериментах бесструктурность электрона, так как его вещество достаточно однородно и обладает очень малой плотностью по отношению к плотности нуклонов. Отражением такой структуры вещества электрона являются результаты дифракционных опытов (интерференция электрона самим с собой), [115] и проявление волновых свойств (волна де Бройля).

Субстанциональная модель описывает возникновение многих свойств электронов. Например, принцип Паули объясняется как следствие электромагнитной индукции в соседних электронных облаках – при сближении двух электронных дисков их вещество начинает вращаться противоположно для того, чтобы удовлетворить правилу Ленца. У двух спаренных электронных облаков суммарный момент импульса и спин равны нулю, это относится и к заполненным оболочкам атомов, в которых число электронов чётно. Квантованные стационарные состояния атома, в которых электрон движется по стационарным орбитам и не излучает энергию, могут быть поняты на основе доказанной Сергеем Федосиным теоремы о равенстве потока кинетической энергии вещества и потоков гравитационной и электромагнитной энергии в веществе электрона в данных состояниях. [116] Представление электронов в атоме гелия в виде двух заряженных дисков позволяет сделать самосогласованный расчёт конфигурации этих дисков и их движения. В частности, для значения радиуса внутреннего края электронного диска получается <math> ~0,58R_b</math>, радиус внешнего края диска <math> ~1,42R_b</math>, а высота диска менее <math> ~0,33R_b</math>, где <math> ~R_b</math> есть Боровский радиус. Анализ сил, действующих в веществе электрона при его стационарном вращении вокруг ядра, приводит к закону сохранения энергии и импульса вещества, электромагнитного поля и поля сильной гравитации. [143]

Вместо спина как неотъемлемого внутреннего свойства электрона вводится понятие о динамическом спине, возникающем лишь в моменты перехода электрона в атоме из одного стационарного состояния в другое. При этом центр электронного облака не только не совпадает с ядром атома, но и вращается вокруг него. Такое вращение приводит к излучению электромагнитного кванта от ускоренного движения заряда электрона, а также к возникновению спинового магнитного момента. Появление спиновых магнитных моментов у нескольких возбуждённых в атоме электронов и их взаимодействие между собой и с ядром даёт магнитные поправки к уровням энергии атома, наблюдаемые как тонкая структура спектров и их мультиплетность. Поскольку динамический спин в основном состоянии, а также в s-состояниях отсутствует, то магнитный момент атомов в этих состояниях выводится через орбитальный магнитный момент электронных дисков, а не через спин. Это позволяет разрешить один из парадоксов квантовой механике, по которому в s-состояниях нет орбитального момента и присутствует только спин (как в отсутствие орбитального движения объяснить устойчивость электрона при наличии постоянной силы притяжения к ядру?). С помощью динамического спина новое объяснение получают так называемый лэмбовский сдвиг и магнитомеханические явления, включая эффект Барнетта (появление намагниченности при вращении образца) и опыт Эйнштейна – де Хааза (вращение ферромагнитных образцов в магнитном поле).

Электрон и полевая теория[править]

Лучше всего перейти на статью "Электрон в полевой теории" и перед Вами откроется новый мир - мир дипольных полей, о существовании которых раньше физика и не подозревала. Вы увидите, что у электрона имеются не один, а два электрических заряда (внешний и внутренний) и соответствующие им два электрических радиуса. Вы увидите, из чего складывается масса покоя электрона и что воображаемый бозон Хиггса оказался не у дел. Более того, величина массы зависит от полей, в которых находится электрон. Все это выходит за рамки представлений, господствовавших в физике второй половины двадцатого века. - Физика переходит на новый уровень познания материи.

Наблюдение и исследование[править]

Электроны можно наблюдать по их излучению на больших расстояниях. Примером является электрон-ионная плазма в коронах звёзд, имеющая высокую температуру и дающая тормозное излучение. В плазме возможны плазменные колебания за счёт волн электронной плотности. Они приводят к излучению, которое можно наблюдать с помощью радиотелескопов. [117]

Энергия фотона прямо пропорциональна его частоте. Связанный в атоме электрон при переходах между уровнями энергии поглощает или излучает фотоны соответствующих частот, что при измерениях даёт линии поглощения и эмиссионные линии, соответственно. Если освещать вещество излучением в широком спектре частот, то в спектре прошедшего излучения будут видны отдельные линии поглощения. Каждый химический элемент или молекула дают свой собственный характерный набор спектральных линий. Спектроскопические измерения силы и ширины линий позволяют определить состав и физические свойства исследуемого вещества. [118] [119]

В лабораторных условиях взаимодействия отдельных электронов могут быть исследованы с помощью детекторов частиц, позволяющих измерять энергии, спин и заряд. [79] Использование квадрупольных ионных ловушек и ловушек Пеннинга даёт возможность удерживать заряженные частицы в малом объёме достаточно длительное время для проведения прецизионных измерений. Имеется эксперимент, в котором отдельный электрон сохранялся в ловушке Пеннинга 10 месяцев. [120] Подобные измерения дают возможность измерять магнитный момент электрона с точностью до 11 знаков, что в 1980 г. превышало точность измерений любой другой физической константы. [121]

Первые видеоизображения распределения энергии электрона были получены научной группой из шведского университета Лунда в феврале 2008 г. Для этого были использованы экстремально короткие аттосекундные вспышки света. [122] [123]

Распределение электронов в твёрдых материалах может быть уточнено с помощью фотоэмиссионного спектроскопа с угловым разрешением (ARPES). Эта техника использует фотоэлектрический эффект для измерения параметров обратного пространства, математического представления периодических структур, применяемого для определения пространственной кристаллической решётки. При измерениях находится направление, скорость и рассеяние электронов в веществе. [124]

Применения[править]

Пучки частиц[править]

Электронные пучки используются в сварке [125] и в литографии. [126] С помощью электронных пучков осуществляют модификацию свойств материалов, стерилизуют медицинскую и пищевую продукцию. [127] В радиационной терапии электронные пучки, создаваемые линейным ускорителем, используются для лечения неглубоких раковых опухолей. Достигаемая глубина проникновения электронов порядка 5 см при энергии в диапазоне 5–20 МэВ. [128] [129]

Ускорители частиц используют электрические поля для разгона электронов и позитронов до высоких энергий. Когда эти частицы пролетают через область пространства с магнитным полем, возникает синхротронное излучение. Интенсивность такого излучения зависит от спина, что приводит к поляризации электронных пучков; данное явление называется эффектом Соколова-Тернова. Поляризация пучка электронов подразумевает однонаправленность спинов электронов по отношению к их вектору импульса. Пучки поляризованных электронов используются в различных экспериментах. Синхротронное излучение применяется для радиационного охлаждения электронных пучков и выравнивания скоростей частиц. После ускорения частиц до нужных энергий отдельные электронные и позитронные пучки могут сталкивать между собой с тем, чтобы изучать свойства возникающих в результате частиц. [130]

Построение изображений[править]

Метод дифракции низкоэнергетичных электронов заключается в облучении кристаллического вещества коллимированным пучком электронов с последующим наблюдением дифракционной картины для определения структуры вещества. Обычные энергии электронов находятся в диапазоне 20–200 эВ. [131] Техника отражательной дифракции электронов большой энергии использует отражение пучков электронов при малых углах с целью характеристики поверхности кристаллов. Энергии электронов равны 8–20 кэВ при углах касания 1–4°. [132] [133]

Электронный микроскоп управляет сфокусированным пучком электронов на образце, используя способность электронных пучков подчиняться законам электронной оптики. При взаимодействии с веществом электроны рассеиваются и теряют энергию. Регистрируя изменения электронного пучка, можно построить изображение образца. [134] В голубом свете обычные оптические микроскопы имеют разрешение порядка 100 нм, ограниченное дифракцией. У электронных микроскопов разрешение ограничено длиной волны де Бройля электрона. Она равна 0,0037 нм для электронов, ускоренных напряжением 100000 Вольт. [135] Имеются электронные микроскопы (например, Transmission Electron Aberration-corrected Microscope) с разрешением 0,05 нм, достаточным для разрешения отдельных атомов. [136] Это делает электронный микроскоп необходимым лабораторным инструментом для построения высокоточных изображений. К его недостаткам можно отнести высокую стоимость и затраты при эксплуатации. При работе микроскопа в нём поддерживается высокий вакуум, что не даёт возможности изучать живые организмы. [137]

Существуют два основных типа электронных микроскопов – просвечивающий и сканирующий (растровый). Просвечивающие электронные микроскопы работают подобно оптическим микроскопам, но вместо света через образец проходит пучок электронов. Усиление микроскопов находится в диапазоне от 1000× до 1000000× и выше. Квантовые эффекты электронов используются в сканирующих туннельных микроскопах для изучения твёрдых поверхностей с разрешением на атомной шкале 0,2 нм. [137] [138]

Другие применения[править]

Движение электронов в металлах и полупроводниках позволяет легко переносить энергию и управлять ею; это является одной из основ современной цивилизации и используется практически повсеместно в промышленности, связи, информатике, электронике, в быту. 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.

В лазере на свободных электронах релятивистский пучок электронов проходит через два ондулятора, содержащих наборы дипольных магнитов, чьи поля ориентированы противоположно. Из-за движения с ускорением от электронов возникает синхротронное (ондуляторное) излучение, которое само взаимодействует с электронами, особенно сильно на резонансной частоте. Такие лазеры могут давать сильное когерентное электромагнитное излучение в широком спектре частот, от микроволн до мягких рентгеновских лучей. Подобные устройства могут быть использованы в производстве и в устройствах связи, а также в медицинских целях, таких как щадящая тканевая хирургия. [139]

Стандартным применением электронных лучей являются телевизоры и мониторы с электронно-лучевыми трубками (кинескопами). [140] В фотоумножителях один фотон, падающий на фотокатод, инициирует лавину электронов, производящую измеряемый электрический ток. [141] 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. [142] Электровакуумные приборы продолжают ограниченно использоваться и в наше время; наиболее распространённые применения – магнетроны в генераторах микроволновых печей и вышеупомянутые электронно-лучевые трубки в телевизорах и мониторах.

См. также[править]