WikiSort.ru - Не сортированное

Электрон (${\displaystyle e,~e^{-}}$ )
Состав	фундаментальная частица[1]
Семья	Фермион
Группа	Лептон
Участвует во взаимодействиях	гравитационное[2], слабое и электромагнитное
Античастица	Позитрон
Масса	9,10938356(11)⋅10−31 кг[3], 0,5109989461(31) МэВ[3], 5,48579909070(16)⋅10-4 а.е.м.[3]
Время жизни	∞ (не менее 6,6⋅1028 лет[4][5])
Квантовые числа
Электрический заряд	−1,6021766208(98)⋅10−19 Кл[3]
Барионное число	0
Лептонное число	+1
Спин	1/2 ħ
Магнитный момент	−9,274009994(57)⋅10−24 Дж/Тл
Внутренняя чётность	1
Изотопический спин	0

Электро́н (от др.-греч. ἤλεκτρον — янтарь^[6]) — 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^[7]. Движение электронов обусловливает протекание электрического тока во многих проводниках (в частности, в металлах). В рациональной системе единиц комптоновская длина волны электрона является единицей длины, а масса электрона — единицей массы.

Свойства

Заряд электрона неделим и равен −1,6021766208(98)⋅10⁻¹⁹ Кл^[3] (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.^[3]

${\displaystyle {m_{e}}=9,10938356(11)~{\cdot }~10^{-31}}$ кг^[3] — масса электрона.

${\displaystyle {e_{0}}=-1,6021766208(98)~{\cdot }~10^{-19}}$ Кл^[3] — заряд электрона.

${\displaystyle {\frac {e_{0}}{m_{e}}}=-1,758820024(11)~{\cdot }~10^{11}}$ Кл/кг^[3] — удельный заряд электрона.

${\displaystyle s={\frac {1}{2}}}$  — спин электрона в единицах ${\displaystyle \hbar .}$

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%-й доверительной вероятностью^[4]). Распаду свободного электрона на нейтрино и фотоны препятствует закон сохранения электрического заряда, а распаду на другие элементарные частицы препятствует закон сохранения энергии.

Современная наука рассматривает электрон как фундаментальную элементарную частицу, не обладающую структурой и размерами^[8]. Эксперименты по сверхточному определению магнитного момента электрона (Нобелевская премия 1989 года) показывают, что размеры электрона не превышают 10⁻²⁰ см^[9][10]. Проведённые до этого эксперименты по столкновению электронов высоких энергий давали большее значение 10⁻¹⁷ см^[11].

Внутренняя чётность электрона равна 1.^[12] 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 ¹⁄₂, 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 ${\displaystyle 13}$ знаков после запятой^[9][10].

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^[13] негатроном^[14], 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).

Благодаря своей малой массе электроны вследствие туннельного эффекта с лёгкостью проникают через потенциальные барьеры высотой в несколько электрон-вольт и толщиной примерно до десятка атомных диаметров. Явлением туннельного эффекта для электронов объясняется то, что электрический ток может протекать между металлическим электродом и ионами раствора или между двумя металлами, находящимися в контакте, несмотря на то, что поверхность металла обычно покрыта слоями окисла или загрязнена^[15].

Отношение электрического заряда к массе для электрона во много раз превышает аналогичное отношение для любой другой элементарной частицы или системы частиц. Электроны можно получать из твёрдых тел относительно легко по сравнению с любыми другими частицами. Эти два обстоятельства лежат в основе многочисленных применений электронов в электровакуумных приборах^[16].

Этимология и история открытия

Краткий обзор различных семейств элементарных и составных частиц и теории, описывающие их взаимодействия. В поле элементарных частиц слева — фермионы, справа — бозоны (изображение интерактивно)

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^[17] Дж. Дж. Стоуни в 1894 (сама единица была введена им в 1874). Открытие электрона как частицы принадлежит Э. Вихерту^[18][19] 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^[20]. 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 ${\displaystyle \lambda ={\frac {h}{p}}}$ , где ${\displaystyle h}$  — постоянная Планка, ${\displaystyle p}$  — импульс электрона. В нерелятивистском случае ${\displaystyle v\ll c}$ она равна ${\displaystyle \lambda ={\frac {h}{m_{e}v}}}$ , где ${\displaystyle v}$  — скорость движения электрона, ${\displaystyle m_{e}}$  — масса электрона. В ультрарелятивистском случае ${\displaystyle v\rightarrow c,E\gg m_{e}c^{2}}$ она равна ${\displaystyle \lambda ={\frac {hc}{E}}}$ , где ${\displaystyle c}$  — скорость света, ${\displaystyle E}$  — энергия электрона.

В соответствии с этим электроны, подобно свету, могут испытывать интерференцию и дифракцию. Волновые свойства электронов были экспериментально обнаружены в 1927 году американскими физиками К. Дэвиссоном и Л. Джермером (Опыт Дэвиссона — Джермера) и независимо английским физиком Дж. П. Томсоном^[21][22].

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. Ещё ускоренные электронные лучи применяются для создания рентгеновского излучения: при попадании электронного пучка в металлическую мишень происходит рассеяние электронов на электростатическом поле атомных ядер и электронов и генерация тормозного излучения. 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.

Электронные пучки используются в устройствах для очистки дымовых газов^[23] и в буровых установках для бурения скальных пород^[24].

Электрон как квазичастица

Если электрон находится в периодическом потенциале, его движение рассматривается как движение квазичастицы^[25]. 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^[26].

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 примерно по миллиарду электронов, позитронов, нейтрино и фотонов. Примерно через ${\displaystyle 14}$ секунд после Большого взрыва, когда температура Вселенной снизилась до ${\displaystyle 3}$ млрд. градусов, почти все электроны аннигилировали с позитронами^[27].

Известно^[28], 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)^[29]. 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: ${\displaystyle \alpha ={\frac {e^{2}}{\hbar c}}\approx {\frac {1}{137}}}$ .

Масса электрона, электрический заряд электрона и постоянная Планка определяют характерный размер атомов (Боровский радиус): ${\displaystyle r={\frac {\hbar ^{2}}{me^{2}}}=0,5\cdot 10^{-8}}$ см^[30].

Радиоизлучение радиогалактик и пульсаров объясняется синхротронным излучением электронов в магнитных полях около этих объектов. Доля электронов с энергией, превышающей ${\displaystyle 1}$ Гэв, в первичных космических лучах составляет около ${\displaystyle 1\%}$ от общего потока.^[31]

Давление вырожденного электронного газа играет важную роль на заключительном этапе эволюции звёзд. Звёзды с массой меньше чандрасекаровского предела после охлаждения стабилизируются давлением вырожденного электронного газа и превращаются в белые карлики. В звёздах с большей массой атомные ядра захватывают электроны и распадаются на нейтроны (нейтронная звезда)^[32]. Ядерные реакции с участием электронов и позитронов играют важную роль при взрывах сверхновых звёзд^[33].

С электроном связаны несколько физических величин, имеющих размерность длины^[34]:

• комптоновская длина волны электрона ${\displaystyle \lambda ={\frac {2\pi \hbar }{mc}}\approx 2,4\cdot 10^{-10}}$ см;
• классический радиус электрона ${\displaystyle r={\frac {e^{2}}{mc^{2}}}\approx 2,8\cdot 10^{-13}}$ см;
• гравитационный радиус электрона ${\displaystyle r={\frac {2Gm}{c^{2}}}\approx 1,35\cdot 10^{-55}}$ см.

Все электроны во Вселенной абсолютно одинаковы по своим свойствам. Если обозначить величину электрического заряда электрона как ${\displaystyle e}$ , то электрические заряды всех известных элементарных частиц, за исключением кварков, равны ${\displaystyle \pm e,0}$ , а электрические заряды кварков равны ${\displaystyle \pm {\frac {1}{3}}e,\pm {\frac {2}{3}}e}$ . 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] Объяснение этих фактов представляет собой нерешённую проблему 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^[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 82 дня]}

Орбиталь

Орбиталь — в многоэлектронной системе — одноэлектронная волновая функция^[42].

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^[42].

Электрон в произведениях искусства

• В. Брюсов посвятил электрону свое стихотворение «Мир электрона».

См. также

Примечания

Литература

• Все известные свойства электрона систематизированы в обзоре Particle Data Group  (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.