Elektron

Iz Wikipedije, slobodne enciklopedije
Idi na navigaciju Idi na pretragu
elektron ( )
Vjerovatna slika lokacije jednog elektrona u atomu
Vjerovatna slika lokacije jednog elektrona u atomu
Compound fundamentalna čestica
Porodica Fermion
Grupa Lepton
Učestvuje u interakcijama gravitacioni [1] , slab i elektromagnetni
Antičestica Positron
Težina

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

5.48579909065 (16) ⋅10 -4 amu [2]
Životni vijek ∞ (najmanje 6,6⋅10 28 godina [3] [4] )
Kvantni brojevi
Električno punjenje −1,6021766208 (98) ⋅10 −19 C [2]
Barionski broj 0
Leptonski broj +1
Spin 1/2 ħ
Magnetski trenutak −9,2847647043 (28) ⋅10 −24 J / T [2]
Interni paritet +1
Izotopski spin 0
Wikimedia Commons logo Medijski fajlovi na Wikimedia Commons

Elektron (od antičke Grčke. Ἤλεκτρον " Amber " [5] ) je stabilna negativno napunjena elementarnih čestica . Smatra se temeljnim (koji, koliko je poznato, nema sastavnih dijelova) i jedna je od glavnih strukturnih jedinica materije. Klasifikovan je kao fermion (ima spin od ½) i kao lepton . Jedini (uz svoju antičesticu - pozitron ) od poznatih naelektrisanih leptona, koji je stabilan. Elektroni formiraju elektronske ljuske atoma , čija struktura određuje većinu optičkih, električnih, magnetskih, mehaničkih, hemijskih svojstava supstance [6] . Kretanje elektrona određuje protok električne struje u mnogim vodičima (posebno u metalima ). U racionalnom sistemu jedinica, Comptonova talasna dužina elektrona je jedinica dužine, a masa elektrona je jedinica mase.

Svojstva

Naboj elektrona je direktno mjeren u eksperimentima A.F. Ioffea (1913 ) i R. Millikena (1911 ). Sadašnja vrijednost naboja elektrona određena je tačno kao −1,602176634⋅10 −19 C [2] , ili −4,803204712570263⋅10 −10 jedinica. naplata CGSE (tačno) u CGSE sistemu, ili -1,602176634⋅10 -20 jedinica. SGSM (tačno) u SGSM sistemu. U 2019. bazne jedinice SI bile su povezane s fundamentalnim konstantama; posebno, kulon je vezan za elementarni električni naboj , stoga, numerička vrijednost naboja elektrona, po definiciji, ima apsolutnu tačnost i prikazana je bez greške [7] . Naboj elektrona, uzet u apsolutnoj vrijednosti, služi kao jedinica za mjerenje električnog naboja drugih elementarnih čestica.

kg [2] je masa elektrona.
Cl [2] je naelektrisanje elektrona.
C / kg [2] - specifični naboj elektrona.
- spin elektrona u jedinicama

Za razliku od većine drugih čestica poznatih nauci, elektron je stabilan (tačnije, u okviru osetljivosti eksperimenta, njegov životni vek je najmanje 6,6⋅10 28 godina sa nivoom pouzdanosti od 90% [3] ). Raspad slobodnog elektrona na neutrine i fotone zabranjen je zakonom održanja električnog naboja , a raspad na druge elementarne čestice spriječen je zakonom održanja energije .

Moderna nauka smatra elektron fundamentalnom elementarnom česticom koja nema unutrašnju strukturu i veličinu [8] . Eksperimenti ultrapreciznog određivanja magnetnog momenta elektrona ( Nobelova nagrada 1989.) pokazuju da veličina elektrona ne prelazi 10–20 cm [9] [10] . Prethodno izvedeni eksperimenti na sudarima elektrona visoke energije dali su grublje ograničenje na veličinu: 10–17 cm [11] .

Unutrašnji paritet elektrona je +1 [12] . Elektron učestvuje u slabim , elektromagnetnim i gravitacionim interakcijama. Primjeri učešća elektrona u slabim interakcijama su beta raspad i hvatanje elektrona . Spada u grupu leptona i (zajedno sa svojom antičesticom, pozitronom ) je najlakši od nabijenih leptona i najlakša elementarna čestica sa električnim nabojem. Prije otkrića mase neutrina , elektron se smatrao najlakšom od masivnih čestica - njegova masa je oko 1836 puta manja od mase protona . Spin elektrona je 1 2 , i stoga je elektron fermion .

Kao i svaka nabijena čestica sa spinom, elektron ima magnetni moment , a magnetni moment je podijeljen na normalni dio i anomalni magnetni moment (dodatak od oko 0,116%). Magnetski moment elektrona μ e = -9,2847647043 (28) ⋅10 −24 J/T [2] . Godine 1989. G. Demelt je dobio Nobelovu nagradu za fiziku za mjerenje magnetnog momenta elektrona sa tačnošću od 13 decimala [9] [10] .

Ponekad elektroni uključuju i vlastite elektrone i pozitrone (na primjer, smatrajući ih zajedničkim elektron-pozitronskim poljem, rješenjem Diracove jednačine ), posebno u onim problemima kada su njihova opća svojstva značajnija od razlika. S ovim izborom pojmova, negativno nabijeni elektron se naziva [13] negatron [14] , pozitivno nabijen se naziva pozitron.

Budući da je u periodičnom potencijalu kristala, elektron se smatra kvazičesticom , čija se efektivna masa može značajno razlikovati od mase elektrona u vakuumu.

Slobodni elektron ne može apsorbirati foton , iako ga može raspršiti (vidi Comptonov efekat ).

Zbog svoje male mase, elektroni, zbog efekta tuneliranja , lako prodiru kroz potencijalne barijere visoke nekoliko elektron-volti i debljine oko deset atomskih promjera. Efekt tuneliranja za elektrone objašnjava da električna struja može teći između metalne elektrode i jona otopine ili između dva metala u kontaktu, unatoč činjenici da je površina metala obično prekrivena slojevima oksida ili kontaminirana [15] .

Odnos električnog naboja i mase za elektron je mnogo puta veći od onog za bilo koju drugu elementarnu česticu ili sistem čestica. Elektroni se mogu dobiti iz čvrstih tela relativno lako u poređenju sa bilo kojom drugom česticom. Ove dvije okolnosti su u osnovi brojnih primjena elektrona u vakuumskim uređajima [16] .

Etimologija i istorija otkrića

МезонМезонБарионНуклонКваркЛептонЭлектронАдронАтомМолекулаФотонW- и Z-бозоныГлюонГравитонЭлектромагнитное взаимодействиеСлабое взаимодействиеСильное взаимодействиеГравитацияКвантовая электродинамикаКвантовая хромодинамикаКвантовая гравитацияЭлектрослабое взаимодействиеТеория великого объединенияТеория всегоЭлементарная частицаВеществоБозон Хиггса
Kratak pregled različitih porodica elementarnih i složenih čestica i teorija koje opisuju njihove interakcije . Elementarne čestice lijevo su fermioni , a desno su bozoni . ( Uslovi - hiperveze na članke VP )

Naziv "elektron" dolazi od grčke riječi ἤλεκτρον , što znači " jantar ": čak su u staroj Grčkoj prirodoslovci provodili eksperimente - komadići ćilibara su trljani vunom, nakon čega su počeli privlačiti male predmete na sebe. Termin "elektron" kao naziv osnovne nedjeljive jedinice naelektrisanja u elektrohemiji predložio je [17] J. J. Stoney 1894. (samu jedinicu je on uveo 1874.). Otkriće elektrona kao čestice pripada E. Wichertu [18] [19] i J. J. Thomsonu , koji su 1897. ustanovili da omjer naboja i mase za katodne zrake ne ovisi o izvornom materijalu.

Prema hipotezi de Brogliea ( 1924 ), elektron (kao i svi drugi materijalni mikroobjekti) ima ne samo korpuskularna , već i valna svojstva . De Broljeva talasna dužina elektrona je , gdje - Plankova konstanta , - impuls elektrona. U nerelativističkom slučaju jednako je , gdje - brzina elektrona, Je masa elektrona. U ultrarelativističkom slučaju jednako je , gdje - brzina svetlosti, - energija elektrona.

Shodno tome, elektroni, poput svjetlosti, mogu doživjeti interferenciju i difrakciju . Talasna svojstva elektrona eksperimentalno su otkrili 1927. američki fizičari K. Davisson i L. Jermer ( Davisson-Jermer eksperiment ) i nezavisno engleski fizičar J. P. Thomson [20] [21] .

Otkriće elektrona i mogućnosti njegove primjene u raznim tehničkim uređajima dovelo je do pojave velikog broja novih koncepata u modernoj fizici. [22]

Upotreba

Eksperimenti s Crookesovom cijevi po prvi put pokazuju prirodu elektrona

Većina niskoenergetskih izvora elektrona koristi fenomene termoionske emisije i emisije fotoelektrona . Visokoenergetski, sa energijama u rasponu od nekoliko keV do nekoliko MeV , elektroni se emituju u procesima beta raspada i unutrašnje konverzije radioaktivnih jezgara. Elektroni koji se emituju u beta raspadu ponekad se nazivaju beta česticama ili beta zracima. Akceleratori služe kao izvori elektrona veće energije.

Kretanje elektrona u metalima i poluvodičima olakšava prijenos i kontrolu energije. Ovaj fenomen ( električna struja ) jedan je od temelja moderne civilizacije i koristi se gotovo svuda u industriji, komunikacijama, informatici, elektronici i svakodnevnom životu. Brzina drifta elektrona u provodnicima je izuzetno mala ( ~0,1-1 mm/s ), ali se električno polje širi brzinom svjetlosti . S tim u vezi, struja u cijelom krugu se uspostavlja gotovo trenutno.

Elektronski snopovi ubrzani do visokih energija, na primjer, u linearnim akceleratorima , jedan su od glavnih alata za proučavanje strukture atomskih jezgri i prirode elementarnih čestica. Prozaičnije primjene elektronskih zraka su televizori i monitori sa katodnim cijevima (CRT) - slikovnim cijevima . Elektronski mikroskop takođe koristi sposobnost elektronskih zraka da se povinuju zakonima elektronske optike . Ubrzani snopovi elektronskih zraka također se koriste za stvaranje X-zraka : kada snop elektrona pogodi metalnu metu, elektroni se raspršuju elektrostatičkim poljem atomskih jezgri i elektrona i stvara se kočno svjetlo . Prije pronalaska tranzistora, gotovo sva radiotehnika i elektronika bili su zasnovani na vakuumskim elektronskim cijevima , gdje je kretanje elektrona u vakuumu kontrolirano električnim (ponekad magnetskim) poljima. Elektrovakuumski uređaji (EVP) i dalje se koriste u ograničenoj mjeri u naše vrijeme. Najčešća primjena su magnetroni u generatorima mikrovalnih pećnica i gore spomenute katodne cijevi u televizorima i monitorima.

Elektronski snopovi se koriste u uređajima za čišćenje dimnih plinova [23] i u postrojenjima za bušenje stijena [24] .

Elektron kao kvazičestica

Ako je elektron u periodičnom potencijalu , njegovo kretanje se smatra kretanjem kvazičestice [25] . Njegova stanja su opisana kvazi-talasnim vektorom . Glavna dinamička karakteristika u slučaju kvadratnog zakona disperzije je efektivna masa , koja se može značajno razlikovati od mase slobodnog elektrona i, u opštem slučaju, je tenzor [26] .

Elektron i univerzum

Stoti dio sekunde nakon Velikog praska, svemir se sastojao od mješavine elektrona, pozitrona, neutrina, fotona, protona i neutrona. Za svaki proton i neutron bilo je oko milijardu elektrona, pozitrona, neutrina i fotona. Otprilike 14 sekundi nakon Velikog praska, kada je temperatura svemira pala na 3 milijarde stepeni , gotovo svi elektroni su anihilirani pozitronima [27] .

Poznato je [28] da je od svakih 100 nukleona u svemiru 87 protona i 13 neutrona (ovi posljednji su uglavnom dio jezgri helijuma ). Da bi se osigurala opća neutralnost tvari, broj protona i elektrona mora biti isti. Gustoća barionske mase (opažena optičkim metodama), koja se sastoji uglavnom od nukleona, dobro je poznata (jedan nukleon na 0,4 kubni metar ) [29] . Uzimajući u obzir radijus opserviranog svemira ( 13,7 milijardi svjetlosnih godina), može se izračunati da je broj elektrona u ovoj zapremini ~ 10 80 , što je uporedivo sa velikim Diracovim brojevima .

Električni naboj elektrona, Planckova konstanta i brzina svjetlosti određuju konstantu fine strukture , koja određuje intenzitet elektromagnetnih interakcija:

...

Masa elektrona, električni naboj elektrona i Planckova konstanta određuju karakterističnu veličinu atoma ( Bohrov radijus ):

vidi [30] .

Radio emisija radio galaksija i pulsara objašnjava se sinhrotronskom emisijom elektrona u magnetnim poljima oko ovih objekata. Udio elektrona sa energijama većim od 1 GeV u primarnim kosmičkim zracima je oko 1% ukupnog fluksa [31] .

Pritisak degenerisanog elektronskog gasa igra važnu ulogu u završnoj fazi evolucije zvezda. Nakon hlađenja, zvijezde s masama manjim od Chandrasekharove granice stabiliziraju se pritiskom degeneriranog elektronskog plina i pretvaraju se u bijele patuljke . U zvijezdama veće mase, atomska jezgra hvataju elektrone i raspadaju se na neutrone ( neutronska zvijezda ) [32] . Nuklearne reakcije koje uključuju elektrone i pozitrone igraju važnu ulogu u eksplozijama supernove [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.