Электрон

Электрон
Квантовые числа
Медиафайлы на Викискладе

Электро́н (от др.-греч. ἤλεκτρον — янтарь) — 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. 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 (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.

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

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

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

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

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). Распаду свободного электрона на нейтрино и фотоны препятствует закон сохранения электрического заряда, а распаду на другие элементарные частицы препятствует закон сохранения энергии.

Эксперименты по сверхточному определению магнитного момента электрона (Нобелевская премия 1989 года) показывают, что размеры электрона не превышают 10⁻²⁰ см. Проведённые до этого эксперименты по столкновению электронов высоких энергий давали большее значение 10⁻¹⁷ см. Внутренняя чётность электрона равна 1. 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 $13$ знаков после запятой.

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 негатроном, 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

Краткий обзор различных семейств элементарных и составных частиц и теории, описывающие их взаимодействия. Элементарные частицы слева — фермионы, справа — бозоны. (Термины — гиперссылки на статьи Википедии)

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

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 и в буровых установках для бурения скальных пород.

Электрон как квазичастица

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

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 $14$ секунд после Большого взрыва, когда температура Вселенной снизилась до $3$ млрд. градусов, почти все электроны аннигилировали с позитронами.

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

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

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

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). Ядерные реакции с участием электронов и позитронов играют важную роль при взрывах сверхновых звёзд.

С электроном связаны несколько физических величин, имеющих размерность длины:

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

Все электроны во Вселенной абсолютно одинаковы по своим свойствам. Если обозначить величину электрического заряда электрона как $e$, то электрические заряды всех известных элементарных частиц, за исключением кварков, равны $\pm e,0$, а электрические заряды кварков равны $\pm {\frac {1}{3}}e,\pm {\frac {2}{3}}e$. Масса электрона резко выделяется в распределении известных элементарных частиц по массам. Классический радиус электрона почти равен радиусу действия ядерных сил Можно ли вывести величину электрического заряда электрона из других мировых констант (скорости света, постоянной Планка, гравитационной постоянной)? Имеет ли смысл вопрос о размере электрона? Зависит ли размер электрона от условий опытов? Объяснение этих фактов представляет собой нерешённую проблему современной физики.

Если бы масса электрона превышала разность масс нейтрона и протона, то химический состав Вселенной коренным бы образом изменился. В ней отсутствовал бы водород, а следовательно, звёзды в их обычном понимании, жизнь.

Если бы электрон имел целый спин, то принцип Паули для него не выполнялся бы. Как следствие, во всех атомах отсутствовали бы электронные оболочки, все атомы были бы химически инертны. Во Вселенной отсутствовали бы молекулы, химические соединения и жизнь, подобная нашей.

Орбиталь

Основная статья: Орбиталь

Орбиталь — в многоэлектронной системе — одноэлектронная волновая функция.

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.

Электрон в произведениях искусства

• В. Брюсов посвятил электрону свое стихотворение "Мир электрона".

См. также

• Классический радиус электрона
• Открытие электрона
• Электричество
• Электрический ток
• Электроника
• Фотоэлектронный умножитель
• Электронная лампа
• Теория одноэлектронной Вселенной
• Парадоксы электрона
• Электронное облако

Литература

• Все известные свойства электрона систематизированы в обзоре Particle Data Group [1] (англ.).
• М. П. Бронштейн 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.