Электрон

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Электрон
Символ: ~e, ~e^-
Состав: Элементарная частица
Семья: Лептон
Группа: Фермион
Участвует во взаимодействиях: Cлабое, электромагнитное и гравитационное
Античастица: Позитрон
Масса: 9,10938291(40)·10−31 кг[1],

0,510998928(11) МэВ/c²[1],

5,48579909067·10-4 а.е.м.[2] [3]
Время жизни: ∞ (не менее 4,6·1026 лет)[4]
Квантовые числа:
Электрический заряд: −1,602176565(35)·10−19 Кл[1]
Лептонное число: +1
Барионное число: 0
Спин: 1/2~\hbar
Изотопический спин: 0

Электро́н (от др.-греч. ἤλεκτρον — янтарь[5]) — стабильная, отрицательно заряженная элементарная частица, одна из основных структурных единиц вещества. Является фермионом (то есть имеет полуцелый спин). Относится к лептонам (единственная стабильная частица среди заряженных лептонов). Из электронов состоят электронные оболочки атомов. Большинство химических свойств атома определяется строением внешних электронных оболочек.[6] Движение свободных электронов обусловливает такие явления, как электрический ток в проводниках и вакууме.

Свойства[править | править вики-текст]

Заряд электрона неделим и равен −1,602176565(35)·10−19 Кл[1] (или −4,80320427(13)·10−10 ед. заряда СГСЭ в системе СГСЭ или −1,602176565(35)·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 9,10938291(40)·10−31 кг.[1]

~{m_e}=9,10938291(40)~{\cdot}~10^{-31} кг[1] — масса электрона.

~{e_0}=-1,602176565(35)~{\cdot}~10^{-19} Кл[1] — заряд электрона.

~{\frac{e_0}{m_e}}=-1,758820088(39)~{\cdot}~10^{11} Кл/кг[1] — удельный заряд электрона.

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

Согласно современным представлениям физики элементарных частиц, электрон неделим и бесструктурен (как минимум до расстояний 10−17 см)[7]. Электрон участвует в слабом, электромагнитном и гравитационном взаимодействиях. Он принадлежит к группе лептонов и является (вместе со своей античастицей, позитроном) легчайшим из заряженных лептонов. 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. 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[8] негатроном[9], положительно заряженный — позитроном.

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

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

Этимология и история открытия[править | править вики-текст]

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[10] Дж. Дж. Стоуни (англ.) в 1894 (сама единица была введена им в 1874). Открытие электрона как частицы принадлежит Э. Вихерту[11][12] 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[13]. Согласно гипотезе де Бройля (1924), электрон (как и все другие материальные микрообъекты) обладает не только корпускулярными, но и волновыми свойствами. Де-бройлевская длина волны нерелятивистского электрона равна \lambda = \frac{h }{m_e v}, где v  — скорость движения электрона. В соответствии с этим электроны, подобно свету, могут испытывать интерференцию и дифракцию. Волновые свойства электронов были экспериментально обнаружены в 1927 американскими физиками К. Дэвиссоном и Л. Джермером (Опыт Дэвиссона — Джермера) и независимо английским физиком Дж. П. Томсоном.

Использование[править | править вики-текст]

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. До изобретения транзисторов практически вся радиотехника и электроника были основаны на вакуумных электронных лампах, где применяется управление движением электронов в вакууме электрическими (иногда и магнитными) полями. Электровакуумные приборы (ЭВП) продолжают ограниченно использоваться и в наше время. Наиболее распространённые применения — магнетроны в генераторах микроволновых печей и вышеупомянутые электронно-лучевые трубки в телевизорах и мониторах.

Электрон как квазичастица[править | править вики-текст]

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.

Электрон и Вселенная[править | править вики-текст]

Известно[14], 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)[15]. 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.

См. также[править | править вики-текст]

Примечания[править | править вики-текст]

  1. 1 2 3 4 5 6 7 8 http://physics.nist.gov/cuu/Constants/Table/allascii.txt Fundamental Physical Constants — Complete Listing
  2. http://www.nature.com/nature/journal/v506/n7489/full/nature13026.html High-precision measurement of the atomic mass of the electron (2014)
  3. http://www.mpi-hd.mpg.de/mpi/en/news/meldung/detail/das-elektron-auf-der-waage Das Elektron auf der Waage
  4. H. O. Back et al. Search for electron decay mode e → γ + ν with prototype of Borexino detector // Phys. Lett. B. — 2002. — Т. 525. — С. 29-40. — DOI:10.1016/S0370-2693(01)01440-X
  5. Также то же, что и электрум: «янтарного цвета сплав золота (80 %) с серебром (20 %)» (Черных П. Я. Историко-этимологический словарь).
  6. Атом // Физическая энциклопедия / Д. М. Алексеев, А. М. Балдин, А. М. Бонч-Бруевич, А. С. Боровик-Романов, Б. К. Вайнштейн, С. В. Вонсовский, А. В. Гапонов-Грехов, С. С. Герштейн, И. И. Гуревич, А. А. Гусев, М. А. Ельяшевич, М. Е. Жаботинский, Д. Н. Зубарев, Б. Б. Кадомцев, И. С. Шапиро, Д. В. Ширков; под общ. ред. А. М. Прохорова. — М.: Советская энциклопедия, 1988. — Т. 1. — 707 с. — 100 000 экз.
  7. М. А. Смондырев Квантовая электродинамика на малых расстояниях. Природа, 1980, № 9, c. 74-77
  8. По предложению Карла Андерсона, открывшего позитрон в 1932 году.
  9. K. P. Beuermann et al. Cosmic-Ray Negatron and Positron Spectra Between 12 and 220 MeV // Phys. Rev. Lett.. — 1969. — Vol. 22. — P. 412–415. — DOI:10.1103/PhysRevLett.22.412
    H. Ejiri Difference between Log ft Values of Negatron Decays and Positron Decays from Odd-Odd Nuclei to Even-Even Nuclei // J. Phys. Soc. Jpn.. — 1967. — Vol. 22. — P. 360-367. — DOI:10.1143/JPSJ.22.360
    Из статьи J. G. Skibo, R. Ramaty Primary and Secondary Cosmic Ray Positrons and Electrons // 23rd International Cosmic Ray Conference. — 1993. — Vol. 2. — P. 132—135. — Bibcode:1993ICRC....2..132S: «Hereafter, the term electron will refer to positrons and negatrons».
  10. Stoney, G. Johnstone, «Of the 'Electron,' or Atom of Electricity». Philosophical Magazine. Series 5, Volume 38, p. 418—420 October 1894.
  11. Wiechert E. // Schriften d. phys.-ökon. Gesell. zu Königsberg in Pr. 1897. 38. Jg. № 1. Sitzungsber. S. 3-16.
  12. Быков Г. В. К истории открытия электрона // Вопросы истории естествознания и техники. 1963. Вып. 15. С. 25-29.
  13. БСЭ
  14. Richard N. Boyd Big bang nucleosynthesis // Nuclear Physics A. — 2001. — Т. 693. — № 1-2. — С. 249-257.
  15. ASTROPHYSICAL CONSTANTS AND PARAMETERS

Литература[править | править вики-текст]


  Квантовая электродинамика  п·о·р 

Электрон | Позитрон | Фотон
Аномальный магнитный момент
Позитроний