Электрон

Электрон ()
Single electron probability pattern.png
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]

кг[3] — масса электрона.
Кл[3] — заряд электрона.
Кл/кг[3] — удельный заряд электрона.
 — спин электрона в единицах

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 12, и, таким образом, электрон относится к фермионам.

Как и любая заряженная частица со спином, электрон обладает магнитным моментом, причем магнитный момент делится на нормальную часть и аномальный магнитный момент. В 1989 г. Г. Демельту была присуждена Нобелевская премия по физике за измерение магнитного момента электрона с точностью до 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 между двумя металлами, находящимися в контакте, проходит электрический ток, несмотря на то, что обычно поверхность металла покрыта слоями окисла или загрязнена и электрический ток между металлическими электродами и ионами раствора[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

МезонМезонБарионНуклонКваркЛептонЭлектронАдронАтомМолекулаФотонW- и Z-бозоныГлюонГравитонЭлектромагнитное взаимодействиеСлабое взаимодействиеСильное взаимодействиеГравитацияКвантовая электродинамикаКвантовая хромодинамикаКвантовая гравитацияЭлектрослабое взаимодействиеТеория великого объединенияТеория всегоЭлементарная частицаВеществоБозон Хиггса
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 , где  — постоянная Планка,  — импульс электрона. В нерелятивистском случае она равна , где  — скорость движения электрона,  — масса электрона. В ультрарелятивистском случае она равна , где  — скорость света,  — 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

Эксперименты с трубкой Крукса впервые продемонстрировали природу электронов

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 секунд после Большого взрыва, когда температура Вселенной снизилась до 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: .

Масса электрона, электрический заряд электрона и постоянная Планка определяют характерный размер атомов (Боровский радиус): см[30].

Радиоизлучение радиогалактик и пульсаров объясняется синхротронным излучением электронов в магнитных полях около этих объектов. Доля электронов с энергией, превышающей Гэв, в первичных космических лучах составляет около 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]:

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] 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 57 дней]

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

  1. «Абсолютный минимум». Глава из книги Майкл Файер Глоссарий Электрон
  2. Удивительный мир внутри атомного ядра Вопросы после лекции
  3. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 http://physics.nist.gov/cuu/Constants/Table/allascii.txt Fundamental Physical Constants — Complete Listing
  4. 1 2 Agostini M. et al. (Borexino Coll.) (2015). “Test of Electric Charge Conservation with Borexino”. Physical Review Letters. 115 (23): 231802. arXiv:1509.01223. DOI:10.1103/PhysRevLett.115.231802.
  5. H. O. Back et al. Search for electron decay mode e → γ + ν with prototype of Borexino detector // Phys. Lett. B. — 2002. — Т. 525. — С. 29—40. — DOI:10.1016/S0370-2693(01)01440-X.
  6. Также то же, что и электрум: «янтарного цвета сплав золота (80 %) с серебром (20 %)» (Черных П. Я. Историко-этимологический словарь).
  7. Атом // Физическая энциклопедия : [в 5 т.] / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Советская энциклопедия, 1988. — Т. 1: Ааронова — Бома эффект — Длинные линии. — 707 с. — 100 000 экз.
  8. Наумов А. И. Физика атомного ядра и элементарных частиц. — М., Просвещение, 1984. — Тираж 30 000 экз. — С. 82
  9. 1 2 Демельт Х.«Эксперименты с покоящейся изолированной субатомной частицей» // УФН, т. 160 (12), с. 129—139, 1990
  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. — 1980. — № 9. — С. 74—77.
  12. Широков, 1972, с. 67.
  13. По предложению Карла Андерсона, открывшего позитрон в 1932 году.
  14. K. P. Beuermann et al. Cosmic-Ray Negatron and Positron Spectra Between 12 and 220 MeV // Phys. Rev. Lett.. — 1969. — Vol. 22. — P. 412–415. — DOI:10.1103/PhysRevLett.22.412.
    H. Ejiri. Difference between Log ft Values of Negatron Decays and Positron Decays from Odd-Odd Nuclei to Even-Even Nuclei // J. Phys. Soc. Jpn.. — 1967. — Vol. 22. — P. 360-367. — DOI:10.1143/JPSJ.22.360.
    Из статьи J. G. Skibo, R. Ramaty. Primary and Secondary Cosmic Ray Positrons and Electrons // 23rd International Cosmic Ray Conference. — 1993. — Vol. 2. — P. 132—135. — Bibcode1993ICRC....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. - Тираж 9400 экз. - c. 30
  16. Спроул Р. Современная физика. — М., Наука, 1974. - Тираж 34000 экз. - c. 18
  17. Stoney, G. Johnstone, «Of the 'Electron,' or Atom of Electricity». Philosophical Magazine. Series 5, Volume 38, p. 418—420 October 1894.
  18. Wiechert E. // Schriften d. phys.-ökon. Gesell. zu Königsberg in Pr. 1897. 38. Jg. № 1. Sitzungsber. S. 3-16.
  19. Быков Г. В. К истории открытия электрона // Вопросы истории естествознания и техники. 1963. Вып. 15. С. 25-29.
  20. БСЭ
  21. Томсон Г. П. Семидесятилетний электрон // УФН. — 1968. — № 2. — С. 361—370. — ISSN 1996-6652. — URL: http://ufn.ru/ru/articles/1968/2/f/
  22. Томсон Г. П. Ранний этап изучения дифракции электронов // УФН. — 1969. — № 11. — С. 455—468. — ISSN 1996-6652. — URL: http://ufn.ru/ru/articles/1969/11/d/
  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. Richard N. Boyd. Big bang nucleosynthesis // Nuclear Physics A. — 2001. — Т. 693, № 1-2. — С. 249-257.
  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, Вселеннная. — 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. Л. Розенфельд Квантовая электродинамика // Нильс Бор и развитие физики. - М., ИЛ, 1958. - c. 115
  39. Иваненко Д.Д. Элементарные частицы // Очерки развития основных физических идей. — М.: АН СССР, 1959. — Тираж 5000 экз. — С. 427.
  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. 1 2 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.