Elektron - Electron

Elektron
Atomové orbitální mraky spd m0.png
Atomové orbitaly vodíku na různých úrovních energie. Více neprůhledné oblasti jsou tam, kde je s největší pravděpodobností elektron v daném okamžiku nalezen.
Složení Elementární částice
Statistika Fermionický
Rodina Lepton
Generace za prvé
Interakce Gravitační , elektromagnetický , slabý
Symbol
E-
,
β-
Antičástice Pozitron
Teoretizoval Richard Laming (1838–1851),
G. Johnstone Stoney (1874) a další.
Objevil JJ Thomson (1897)
Hmotnost 9,109 383 7015 (28) × 10 −31  kg
5,485 799 090 70 (16) × 10 −4  u
[1 822, 888 4845 (14) ] −1  u
0,510 998 950 00 (15)  MeV/ c 2
Střední životnost stabilní (> 6,6 × 10 28  let )
Elektrický náboj −1  e
−1,602 176 634 × 10 −19  ° C
−4,803 204 51 (10) × 10 −10  esu
Magnetický moment −1,001 159 652 180 91 (26)  μ B
Roztočit 1/2
Slabý isospin LH : -1/2, RH : 0
Slabý hypernáboj LH : -1, RH : -2

Elektron je subatomární částice , (označený symbolem
E-
nebo
β-
) jehož elektrický náboj je záporný jeden elementární náboj . Elektrony patří do první generace z lepton částic rodiny, a jsou obecně považovány za elementární částice , protože nejsou známy žádné součásti nebo konstrukci. Elektron má hmotnost, která je přibližně 1/1836 hmotnosti protonu . Kvantové mechanické vlastnosti elektronu zahrnují vnitřní moment hybnosti ( spin ), jejichž hodnota je polovina celého čísla, vyjádřený v jednotkách sníženého Planckova konstanta , h . Být fermiony , žádné dva elektrony nemohou obsadit stejný kvantový stav , v souladu s Pauliho vylučovacím principem . Stejně jako všechny elementární částice, elektrony vykazují vlastnosti částic i vln : mohou se srazit s jinými částicemi a mohou být difraktovány jako světlo. Tyto vlnové vlastnosti elektronů jsou snadněji sledovat s pokusy, než v jiných částic, jako jsou neutrony a protony, protože elektrony mají nižší hmotnost a tím i delší de Broglie vlnová délka pro danou energii.

Elektrony hrají zásadní roli v mnoha fyzikálních jevech, jako je elektřina , magnetismus , chemie a tepelná vodivost , a také se účastní gravitačních , elektromagnetických a slabých interakcí . Vzhledem k tomu, že elektron má náboj, má okolní elektrické pole , a pokud se tento elektron pohybuje vzhledem k pozorovateli, uvedený pozorovatel ho bude pozorovat, aby vytvořil magnetické pole . Elektromagnetická pole vytvářená z jiných zdrojů ovlivní pohyb elektronu podle Lorentzova silového zákona . Elektrony při zrychlení vyzařují nebo absorbují energii ve formě fotonů . Laboratorní přístroje jsou schopny pomocí elektromagnetických polí zachytit jednotlivé elektrony i elektronové plazma . Speciální teleskopy dokážou detekovat elektronové plazma ve vesmíru. Elektrony se podílejí na mnoha aplikacích, jako je tribologie nebo třecí nabíjení, elektrolýza, elektrochemie, bateriové technologie, elektronika , svařování , katodové trubice , fotoelektřina, fotovoltaické solární panely, elektronové mikroskopy , radiační terapie , lasery , plynové ionizační detektory a urychlovače částic .

Interakce zahrnující elektrony s jinými subatomickými částicemi jsou zajímavé v oblastech, jako je chemie a jaderná fyzika . Coulombova síla interakce mezi kladnými protony v atomových jader a záporné elektrony bez umožňuje složení dvou známých jako atomy . Ionizace nebo rozdíly v poměrech negativních elektronů vůči pozitivním jádrům mění vazebnou energii atomového systému. Výměna nebo sdílení elektronů mezi dvěma nebo více atomy je hlavní příčinou chemické vazby . V roce 1838 britský přírodní filozof Richard Laming poprvé vyslovil hypotézu konceptu nedělitelného množství elektrického náboje, aby vysvětlil chemické vlastnosti atomů. Irský fyzik George Johnstone Stoney nazval tento náboj v roce 1891 „elektron“ a JJ Thomson a jeho tým britských fyziků jej identifikovali jako částici v roce 1897 během experimentu s katodovou trubicí . Elektrony se mohou také účastnit jaderných reakcí , jako je nukleosyntéza ve hvězdách , kde jsou známé jako částice beta . Elektrony mohou být vytvořeny prostřednictvím rozpadu beta z radioaktivních izotopů a ve vysokoenergetických srážkách, například když kosmické paprsky do atmosféry. Antičástice elektronu se nazývá pozitron ; je identický s elektronem kromě toho, že nese elektrický náboj opačného znaménka. Když se elektron srazí s pozitronem , mohou být obě částice zničeny , čímž vzniknou fotony gama záření .

Dějiny

Objev účinku elektrické síly

Tyto Staří Řekové si všiml, že jantar přilákal malých předmětů při dotyku s kůží. Spolu s bleskem je tento jev jednou z prvních zaznamenaných zkušeností lidstva s elektřinou . Anglický vědec William Gilbert ve svém pojednání De Magnete z roku 1600 vytvořil nový latinský výraz electrica , který označuje látky s vlastnostmi podobnými jantaru, které přitahují malé předměty poté, co byly otřeny. Oba elektrický a elektřina jsou odvozeny od latinského elektron (také kořene slitiny stejného jména ), který přišel z řeckého slova pro jantar, ἤλεκτρον ( Elektron ).

Objev dvou druhů poplatků

Na počátku 17. století francouzský chemik Charles François du Fay zjistil, že pokud nabitý zlatý list odrazí sklo potřené hedvábím, pak stejně nabitý zlatý list přitáhne jantar potřený vlnou. Z tohoto a dalších výsledků podobných typů experimentů dospěl du Fay k závěru, že elektřina se skládá ze dvou elektrických tekutin , sklivcové tekutiny ze skla potřené hedvábím a pryskyřičné tekutiny z jantaru potřené vlnou. Tyto dvě tekutiny se mohou navzájem neutralizovat, když jsou kombinovány. Americký vědec Ebenezer Kinnersley později také nezávisle dospěl ke stejnému závěru. O deset let později Benjamin Franklin navrhl, aby elektřina nepocházela z různých typů elektrických tekutin, ale z jediné elektrické kapaliny vykazující přebytek (+) nebo deficit ( -). Dal jim moderní nomenklaturu nábojů kladných a záporných. Franklin považoval nosič náboje za pozitivní, ale neidentifikoval správně, která situace je přebytkem nosiče náboje a která je deficitem.

V letech 1838 až 1851 vyvinul britský přírodní filozof Richard Laming myšlenku, že atom je složen z jádra hmoty obklopeného subatomickými částicemi, které měly jednotkové elektrické náboje . Počínaje rokem 1846 německý fyzik Wilhelm Eduard Weber zastával teorii, že elektřina se skládá z kladně a záporně nabitých tekutin a jejich interakce se řídí zákonem o inverzním čtverci . Po studiu fenoménu elektrolýzy v roce 1874 irský fyzik George Johnstone Stoney navrhl, že existuje „jediné určité množství elektřiny“, náboj monovalentního iontu . Byl schopen odhadnout hodnotu tohoto elementárního náboje e pomocí Faradayových zákonů elektrolýzy . Stoney však věřil, že tyto náboje jsou trvale připojeny k atomům a nelze je odstranit. V roce 1881 německý fyzik Hermann von Helmholtz tvrdil, že kladné i záporné náboje jsou rozděleny na elementární části, z nichž každá se „chová jako atomy elektřiny“.

Stoney původně vytvořil termín elektrolion v roce 1881. O deset let později přešel na elektron, aby popsal tyto elementární náboje, a v roce 1894 napsal: „... byl proveden odhad skutečného množství této nejpozoruhodnější základní jednotky elektřiny, pro kterou Od té doby jsem se odvážil navrhnout název elektron “. Návrh na změnu na elektrion z roku 1906 selhal, protože Hendrik Lorentz si raději ponechal elektron . Slovo elektron je kombinací slov elektr ic a i on . Přípona - na které se nyní používá k označení dalších subatomárních částic, jako je proton nebo neutron, je zase odvozena z elektronu.

Objev volných elektronů mimo hmotu

Kulatá skleněná vakuová trubice se zářícím kruhovým paprskem uvnitř
Paprsek elektronů vychýlený v kruhu magnetickým polem

Při studiu elektrické vodivosti ve vzácných plynech v roce 1859 německý fyzik Julius Plücker pozoroval záření vyzařované z katody, které způsobilo, že se na stěně trubice poblíž katody objevilo fosforeskující světlo; a oblast fosforeskujícího světla se mohla pohybovat aplikací magnetického pole. V roce 1869 zjistil Plückerův student Johann Wilhelm Hittorf, že pevné tělo umístěné mezi katodou a fosforescencí vrhá stín na fosforeskující oblast trubice. Hittorf vyvodil, že z katody vyzařují přímé paprsky a že fosforescence byla způsobena paprsky dopadajícími na stěny trubice. V roce 1876 německý fyzik Eugen Goldstein ukázal, že paprsky byly emitovány kolmo na povrch katody, což rozlišovalo paprsky vyzařované z katody a žárovkové světlo. Goldstein daboval paprsky katodové paprsky . Desetiletí experimentálního a teoretického výzkumu zahrnujícího katodové paprsky byly důležité pro případný objev elektronů JJ Thomsona .

V 70. letech 19. století vyvinul anglický chemik a fyzik Sir William Crookes první katodovou trubici, která měla uvnitř vysoké vakuum . Poté v roce 1874 ukázal, že katodové paprsky mohou otáčet malým lopatkovým kolem, když jim stojí v cestě. Proto dospěl k závěru, že paprsky mají hybnost. Navíc pomocí magnetického pole dokázal paprsky odklonit, čímž prokázal, že se paprsek choval, jako by byl záporně nabitý. V roce 1879 navrhl, že tyto vlastnosti lze vysvětlit tím, že se katodové paprsky skládají z negativně nabitých plynných molekul ve čtvrtém stavu hmoty, ve kterém je střední volná dráha částic tak dlouhá, že kolize mohou být ignorovány.

Britský fyzik narozený v Německu Arthur Schuster rozšířil Crookesovy experimenty tím, že umístil kovové desky rovnoběžně s katodovými paprsky a mezi desky použil elektrický potenciál . Pole vychýlilo paprsky směrem k kladně nabité desce a poskytlo další důkaz, že paprsky nesly záporný náboj. Měřením velikosti průhybu pro danou úroveň proudu byl v roce 1890 Schuster schopen odhadnout poměr náboje a hmotnosti složek paprsku. To však přineslo hodnotu, která byla více než tisíckrát větší, než se očekávalo, takže jeho výpočty byly tehdy málo důvěryhodné. Je to proto, že se předpokládalo, že nosiči náboje jsou mnohem těžší atomy vodíku nebo dusíku . Schusterovy odhady by se následně ukázaly být do značné míry správné.

V roce 1892 Hendrik Lorentz navrhl, že hmotnost těchto částic (elektronů) může být důsledkem jejich elektrického náboje.

Při studiu přirozeně fluoreskujících minerálů v roce 1896 zjistil francouzský fyzik Henri Becquerel , že vyzařují záření bez jakéhokoli vystavení externímu zdroji energie. Tyto radioaktivní materiály se staly předmětem velkého zájmu vědců, včetně novozélandského fyzika Ernesta Rutherforda, který zjistil, že emitují částice. Tyto částice označil alfa a beta na základě jejich schopnosti pronikat hmotou. V roce 1900 Becquerel ukázal, že beta paprsky vyzařované radiem mohou být odkloněny elektrickým polem a že jejich poměr hmotnosti a náboje je stejný jako u katodových paprsků. Tento důkaz posílil názor, že elektrony existují jako složky atomů.

V roce 1897 provedl britský fyzik JJ Thomson se svými kolegy Johnem S. Townsendem a HA Wilsonem experimenty naznačující, že katodové paprsky byly skutečně jedinečné částice, nikoli vlny, atomy nebo molekuly, jak se dříve věřilo. Thomson dobře odhadl jak náboj e, tak hmotnost m , přičemž zjistil, že částice katodového paprsku, které nazýval „tělísky“, měly snad jednu tisícinu hmotnosti nejméně známého známého iontu: vodíku. Ukázal, že jejich poměr náboje k hmotnosti, e / m , byl nezávislý na katodovém materiálu. Dále ukázal, že záporně nabité částice produkované radioaktivními materiály, zahřátými materiály a osvětlenými materiály jsou univerzální. Název elektron byl přijat pro tyto částice vědeckou komunitou, hlavně kvůli prosazování GF FitzGerald , J. Larmor a HA Lorentz . Ve stejném roce Emil Wiechert a Walter Kaufmann také vypočítali poměr e/m, ale nedokázali interpretovat své výsledky, zatímco JJ Thomson následně v roce 1899 poskytl odhady také pro elektronový náboj a hmotnost: e ~6,8 × 10 −10 esu a m ~3 × 10 −26 g

Elektronový náboj podrobněji změřili američtí fyzici Robert Millikan a Harvey Fletcher ve svém experimentu s kapkami oleje z roku 1909, jehož výsledky byly publikovány v roce 1911. Tento experiment používal elektrické pole, aby zabránil pádu nabité kapičky oleje jako výsledek gravitace. Toto zařízení dokázalo změřit elektrický náboj již od 1–150 iontů s chybovým rozpětím menším než 0,3%. Srovnatelné experimenty již dříve provedl tým Thomsona s využitím mraků nabitých kapiček vody generovaných elektrolýzou a v roce 1911 Abram Ioffe , který nezávisle získal stejný výsledek jako Millikan pomocí nabitých mikročástic kovů, poté publikoval své výsledky v roce 1913. Nicméně kapky oleje byly stabilnější než kapky vody kvůli jejich pomalejší rychlosti odpařování, a proto byly vhodnější pro přesné experimentování po delší časové období.

Kolem počátku dvacátého století bylo zjištěno, že za určitých podmínek rychle se pohybující nabitá částice způsobila kondenzaci přesycených vodních par podél její dráhy. V roce 1911 Charles Wilson použil tento princip k vytvoření své oblačné komory, aby mohl fotografovat stopy nabitých částic, například rychle se pohybujících elektronů.

Atomová teorie

Tři soustředné kruhy kolem jádra, přičemž elektron se pohybuje z druhého do prvního kruhu a uvolňuje foton
Bohrův model atomu , znázorňující stavy elektronu s energií kvantizovány podle číslo n. Elektron klesající na nižší oběžnou dráhu emituje foton rovnající se rozdílu energie mezi oběžnými dráhami.

V roce 1914 experimenty fyziků Ernesta Rutherforda , Henryho Moseleye , Jamese Francka a Gustava Hertze do značné míry vytvořily strukturu atomu jako husté jádro kladného náboje obklopené elektrony s nižší hmotností. V roce 1913 dánský fyzik Niels Bohr předpokládal, že elektrony sídlí v kvantovaných energetických stavech, přičemž jejich energie jsou určeny momentem hybnosti oběžné dráhy elektronu kolem jádra. Elektrony se mohou pohybovat mezi těmito stavy nebo oběžnými drahami emisí nebo absorpcí fotonů určitých frekvencí. Prostřednictvím těchto kvantovaných oběžných drah přesně vysvětlil spektrální čáry atomu vodíku. Bohrův model však nedokázal zohlednit relativní intenzity spektrálních čar a nebyl úspěšný při vysvětlování spekter složitějších atomů.

Chemické vazby mezi atomy vysvětlil Gilbert Newton Lewis , který v roce 1916 navrhl, aby kovalentní vazba mezi dvěma atomy byla udržována dvojicí elektronů sdílených mezi nimi. Později, v roce 1927, Walter Heitler a Fritz London poskytli úplné vysvětlení tvorby elektronových párů a chemické vazby z hlediska kvantové mechaniky . V roce 1919 zpracoval americký chemik Irving Langmuir Lewisův statický model atomu a navrhl, aby byly všechny elektrony distribuovány v postupných „soustředných (téměř) sférických skořápkách, všechny stejné tloušťky“. Na druhé straně rozdělil skořápky na několik buněk, z nichž každý obsahoval jeden pár elektronů. Pomocí tohoto modelu byl Langmuir schopen kvalitativně vysvětlit chemické vlastnosti všech prvků v periodické tabulce, o nichž bylo známo, že se do značné míry opakují podle periodického zákona .

V roce 1924 rakouský fyzik Wolfgang Pauli zjistil, že skořápkovitou strukturu atomu lze vysvětlit sadou čtyř parametrů, které definovaly každý stav kvantové energie, pokud byl každý stav obsazen ne více než jediným elektronem. Tento zákaz více než jednoho elektronu zaujímajícího stejný stav kvantové energie se stal známým jako Pauliho vylučovací princip . Fyzikální mechanismus k vysvětlení čtvrtého parametru, který měl dvě různé možné hodnoty, poskytli nizozemští fyzici Samuel Goudsmit a George Uhlenbeck . V roce 1925 navrhli, aby elektron, kromě momentu hybnosti jeho oběžné dráhy, měl vnitřní moment hybnosti a magnetický dipólový moment . To je analogické rotaci Země na její ose, když obíhá kolem Slunce. Vnitřní moment hybnosti se stal známým jako spin a vysvětlil dříve záhadné rozdělení spektrálních čar pozorované spektrografem s vysokým rozlišením ; tento jev je známý jako jemné štěpení struktury .

Kvantová mechanika

Ve své disertační práci Recherches sur la théorie des quanta (Výzkum kvantové teorie) z roku 1924 vyslovil francouzský fyzik Louis de Broglie hypotézu, že veškerou hmotu lze znázornit jako de Broglieovu vlnu způsobem světla . To znamená, že za vhodných podmínek by elektrony a další hmoty vykazovaly vlastnosti částic nebo vln. K korpuskulární vlastnosti hmotné částice jsou demonstrovány, když je prokázáno, že mají lokalizované místo v prostoru podél své dráhy v daném okamžiku. Vlnová povaha světla se zobrazí například tehdy, když paprsek světla prochází rovnoběžnými štěrbinami a vytváří tak interferenční obrazce. V roce 1927 George Paget Thomson zjistil, že interferenční účinek byl vytvořen, když paprsek elektronů prošel tenkými kovovými fóliemi a američtí fyzici Clinton Davisson a Lester Germer odrazem elektronů z krystalu niklu .

Sféricky symetrický modrý oblak, jehož intenzita klesá od středu směrem ven
V kvantové mechanice je chování elektronu v atomu popsáno orbitálem , což je rozdělení pravděpodobnosti spíše než oběžná dráha. Na obrázku stínování ukazuje relativní pravděpodobnost „nalezení“ elektronu s energií odpovídající daným kvantovým číslům v daném bodě.

De Broglieho předpověď vlnové povahy pro elektrony vedla Erwina Schrödingera k postulování vlnové rovnice pro elektrony pohybující se pod vlivem jádra v atomu. V roce 1926 tato rovnice, Schrödingerova rovnice , úspěšně popsala, jak se šíří elektronové vlny. Tato vlnová rovnice by místo toho, aby poskytla řešení určující umístění elektronu v čase, mohla být také použita k předpovědi pravděpodobnosti nalezení elektronu v blízkosti polohy, zejména polohy blízko místa, kde byl elektron vázán v prostoru, pro který byl elektron vlnové rovnice se v čase nezměnily. Tento přístup vedl k druhé formulaci kvantové mechaniky (první od Heisenberga v roce 1925) a řešení Schrödingerovy rovnice, podobně jako Heisenbergova, poskytovala derivace energetických stavů elektronu v atomu vodíku, které byly ekvivalentní těm, které byly odvozeny nejprve Bohr v roce 1913 a bylo známo, že reprodukují vodíkové spektrum. Jakmile bylo spin a interakce mezi více elektrony popsatelné, kvantová mechanika umožnila předpovědět konfiguraci elektronů v atomech s atomovými čísly většími než vodík.

V roce 1928 Paul Dirac , navazující na práci Wolfganga Pauliho, vytvořil model elektronu- Diracovu rovnici , v souladu s teorií relativity , použitím relativistických a symetrických úvah na hamiltoniánskou formulaci kvantové mechaniky elektromagnetického pole. Aby vyřešil některé problémy v rámci své relativistické rovnice, vyvinul Dirac v roce 1930 model vakua jako nekonečné moře částic s negativní energií, později nazvané Diracovo moře . To ho vedlo k předpovědi existence pozitronu, protějšku antihmoty elektronu. Tuto částici objevil v roce 1932 Carl Anderson , který navrhl volání standardních elektronů na záporné a použití elektronu jako obecného výrazu k popisu kladně i záporně nabitých variant.

V roce 1947 Willis Lamb ve spolupráci s postgraduálním studentem Robertem Retherfordem zjistil, že určité kvantové stavy atomu vodíku, které by měly mít stejnou energii, byly vůči sobě posunuty; rozdíl se začal nazývat Beránkova směna . Přibližně ve stejnou dobu zjistil Polykarp Kusch ve spolupráci s Henrym M. Foleym , že magnetický moment elektronu je o něco větší, než předpovídala Diracova teorie. Tento malý rozdíl byl později nazýván anomálním magnetickým dipólovým momentem elektronu. Tento rozdíl byl později vysvětlen teorií kvantové elektrodynamiky , kterou na konci čtyřicátých let vyvinuli Sin-Itiro Tomonaga , Julian Schwinger a Richard Feynman .

Urychlovače částic

S vývojem urychlovače částic v první polovině dvacátého století se fyzici začali hlouběji zabývat vlastnostmi subatomárních částic . První úspěšný pokus urychlit elektrony pomocí elektromagnetické indukce provedl v roce 1942 Donald Kerst . Jeho počáteční betatron dosáhl energií 2,3 MeV, zatímco následné betatrony dosáhly 300 MeV. V roce 1947 bylo v General Electric objeveno synchrotronové záření se 70 MeV elektronovým synchrotronem . Toto záření bylo způsobeno zrychlením elektronů magnetickým polem, když se pohybovaly blízko rychlosti světla.

S paprskem s 1,5 GeV, první vysoce energetické částice urychlovač byl ADONE , který začal operace v roce 1968. Toto zařízení urychlenými elektrony a pozitrony v opačných směrech, v porovnání ke stahování cíl statické se účinně zdvojnásobuje energii nárazů elektron. Velký Electron-Positron Collider (LEP) v CERN , která byla v provozu od roku 1989 do roku 2000, dosažené Kolizní energie 209 GeV a vyrobené důležité měření na standardním modelu částicové fyziky.

Upevnění jednotlivých elektronů

Jednotlivé elektrony lze nyní snadno omezit na ultra malé ( L = 20 nm , W = 20 nm ) CMOS tranzistory provozované při kryogenní teplotě v rozmezí −269 ° C (4  K ) až přibližně −258 ° C (15  K ). Elektronová vlnová funkce se šíří v polovodičové mřížce a zanedbatelně interaguje s elektrony valenčního pásma, takže je možné s ní zacházet ve formalismu s jednou částicí nahrazením její hmotnosti efektivním tenzorem hmotnosti .

Charakteristika

Klasifikace

Tabulka se čtyřmi řádky a čtyřmi sloupci, přičemž každá buňka obsahuje identifikátor částice
Standardní model elementárních částic. Elektron (symbol e) je vlevo.

Ve standardním modelu částicové fyziky patří elektrony do skupiny subatomárních částic nazývaných leptony , o nichž se věří, že jsou základními nebo elementárními částicemi . Elektrony mají nejnižší hmotnost ze všech nabitých leptonů (nebo elektricky nabitých částic jakéhokoli typu) a patří do první generace základních částic. Druhá a třetí generace obsahují nabité leptony, mion a tau , které jsou totožné s elektronem s nábojem, spinem a interakcemi , ale jsou masivnější. Leptoni se liší od ostatních základních složek hmoty, kvarků , nedostatkem silné interakce . Všichni členové leptonové skupiny jsou fermionové, protože všichni mají napůl liché celé číslo; elektron má spin1/2.

Základní vlastnosti

Klidová hmotnost elektronu je přibližně9,109 × 10 −31  kilogramů, příp5 489 × 10 −4  atomové hmotnostní jednotky . Díky ekvivalenci hmotnosti a energie to odpovídá klidové energii 0,511 MeV . Poměr mezi hmotností protonu a elektronu je asi 1836. Astronomická měření ukazují, že hmotnostní poměr protonů k elektronům si drží stejnou hodnotu, jak předpovídá standardní model, po dobu alespoň poloviny věku vesmír .

Elektrony mají elektrický náboj a-1,602 176 634 × 10 −19 coulombů , který se používá jako standardní jednotka náboje pro subatomární částice, a také se nazývá elementární náboj . V mezích experimentální přesnosti je elektronový náboj identický s nábojem protonu, ale s opačným znaménkem. Protože symbol e je použit pro elementární náboj , elektron je obvykle symbolizován
E-
, kde znaménko minus označuje záporný náboj. Pozitron je symbolizován symbolem
E+
protože má stejné vlastnosti jako elektron, ale má spíše kladný než záporný náboj.

Elektron má vnitřní hybnost nebo spin1/2. Tato vlastnost je obvykle uvedena odkazem na elektron jako spin-1/2částice. Pro takové částice je spinová velikostħ/2, zatímco výsledek měření projekce spinu na libovolnou osu může být pouze ±ħ/2. Kromě rotace má elektron vnitřní magnetický moment podél své osy otáčení. Je přibližně stejný jako jeden Bohrův magneton , což je fyzikální konstanta rovná9,274 009 15 (23) × 10 −24  joulů na teslu . Orientace spinu vzhledem k hybnosti elektronu definuje vlastnost elementárních částic známých jako helicity .

Elektron nemá žádnou známou substrukturu . Nicméně, ve fyzice pevné fáze , separace spin-náboj může dojít v některých materiálů. V takových případech se elektrony „rozdělí“ na tři nezávislé částice, spinon , orbiton a holon (nebo chargon). Elektron může být vždy teoreticky považován za vázaný stav všech tří, přičemž spinon nese spin elektronu, orbiton nese orbitální stupeň volnosti a chargon nese náboj, ale za určitých podmínek se mohou chovat jako nezávislé kvazičástice .

Otázka poloměru elektronu je náročným problémem moderní teoretické fyziky. Přijetí hypotézy o konečném poloměru elektronu je neslučitelné s premisou teorie relativity. Na druhé straně bodový elektron (nulový poloměr) generuje vážné matematické potíže kvůli vlastní energii elektronu inklinujícího k nekonečnu. Pozorování jednoho elektronu v Penningově pasti naznačuje, že horní hranice poloměru částice je 10-22  metrů. Horní mez elektronového poloměru 10 - 18  metrů lze odvodit pomocí vztahu nejistoty v energii. K dispozici je také fyzikální konstanta nazývá „ klasický poloměr elektronu “, s mnohem větší hodnotu2,8179 × 10 −15  m , větší než poloměr protonu. Terminologie však pochází ze zjednodušeného výpočtu, který ignoruje účinky kvantové mechaniky ; ve skutečnosti má takzvaný klasický poloměr elektronů málo společného se skutečnou základní strukturou elektronu.

Existují elementární částice, které se samovolně rozpadají na méně hmotné částice. Příkladem je mion , s průměrnou životností z2,2 × 10 −6  sekund, které se rozpadají na elektron, mionové neutrino a elektronové antineutrino . Elektron je naopak teoreticky považován za stabilní: elektron je nejméně hmotná částice s nenulovým elektrickým nábojem, takže jeho rozpad by narušil zachování náboje . Experimentální dolní mez pro střední životnost elektronu je6,6 × 10 28 let, s 90% úrovní spolehlivosti .

Kvantové vlastnosti

Jako všechny částice mohou elektrony fungovat jako vlny. Říká se tomu dualita vlnových částic a lze to demonstrovat pomocí experimentu se dvěma štěrbinami .

Vlnová povaha elektronu mu umožňuje projít dvěma paralelními štěrbinami současně, nikoli pouze jednou štěrbinou, jako by tomu bylo u klasické částice. V kvantové mechanice lze vlnovitou vlastnost jedné částice matematicky popsat jako komplexně hodnocenou funkci, vlnovou funkci , běžně označovanou řeckým písmenem psi ( ψ ). Když je absolutní hodnota této funkce na druhou , dává to pravděpodobnost, že bude částice pozorována poblíž místa - hustota pravděpodobnosti .

Trojrozměrná projekce dvojrozměrného grafu.  Podél jedné osy jsou symetrické kopce a podél druhé symetrická údolí, což zhruba dává tvar sedla
Příklad funkce asymetrické vlny pro kvantový stav dvou identických fermionů v jednorozměrném poli . Pokud si částice vymění polohu, vlnová funkce převrátí své znaménko.

Elektrony jsou identické částice, protože je nelze navzájem rozlišit podle jejich vnitřních fyzikálních vlastností. V kvantové mechanice to znamená, že pár interagujících elektronů musí být schopen vyměnit pozice bez pozorovatelné změny stavu systému. Vlnová funkce fermionů, včetně elektronů, je antisymetrická, což znamená, že při záměně dvou elektronů mění znaménko; tj. ψ ( r 1 , r 2 ) = - ψ ( r 2 , r 1 ) , kde proměnné r 1 a r 2 odpovídají prvnímu a druhému elektronu. Protože absolutní hodnota není změněna prohozením znaménka, odpovídá to stejným pravděpodobnostem. Bosony , jako například foton, mají místo toho funkce symetrických vln.

V případě antisymetrie vedou řešení vlnové rovnice pro interagující elektrony k nulové pravděpodobnosti, že každý pár zaujme stejné místo nebo stav. To je zodpovědné za Pauliho vylučovací princip , který vylučuje, aby jakékoli dva elektrony zaujímaly stejný kvantový stav. Tento princip vysvětluje mnoho vlastností elektronů. Například způsobí, že skupiny vázaných elektronů obsadí různé orbitaly v atomu, místo aby se všechny navzájem překrývaly na stejné oběžné dráze.

Virtuální částice

Ve zjednodušeném obrázku, který má často tendenci dávat špatný nápad, ale může sloužit k ilustraci některých aspektů, každý foton stráví nějaký čas jako kombinace virtuálního elektronu plus jeho antičástice, virtuálního pozitronu, které se krátce poté rychle zničí . Kombinace energetické variace potřebné k vytvoření těchto částic a doba, během které existují, spadají pod práh detekovatelnosti vyjádřený Heisenbergovým vztahem nejistoty , Δ E  · Δ t  ≥  ħ . Ve skutečnosti, je energie potřebná k vytvoření těchto virtuálních částic, Δ E , může být „zapůjčit“ od vakua po dobu, Δ t tak, že jejich produkt je delší, než je snížení Planckova konstanta , h6,6 × 10 −16  eV · s . Pro virtuální elektron je tedy Δ t nanejvýš1,3 × 10 −21  s .

Koule se znaménkem minus vlevo dole symbolizuje elektron, zatímco páry koulí se znaménky plus a mínus ukazují virtuální částice
Schematické zobrazení virtuálních párů elektronů a pozitronů, které se objevují náhodně poblíž elektronu (vlevo dole)

Zatímco existuje virtuální pár elektron -pozitron, Coulombova síla z okolního elektrického pole obklopujícího elektron způsobí, že vytvořený pozitron bude přitahován k původnímu elektronu, zatímco vytvořený elektron zažívá odpuzování. To způsobuje takzvanou vakuovou polarizaci . Ve skutečnosti se vakuum chová jako médium s dielektrickou permitivitou více než jednota . Účinný náboj elektronu je tedy ve skutečnosti menší než jeho skutečná hodnota a náboj klesá s rostoucí vzdáleností od elektronu. Tato polarizace byla experimentálně potvrzena v roce 1997 pomocí japonského urychlovače částic TRISTAN . Virtuální částice způsobují srovnatelný stínící účinek na hmotnost elektronu.

Interakce s virtuálními částicemi také vysvětluje malou (asi 0,1%) odchylku vnitřního magnetického momentu elektronu od Bohrova magnetonu ( anomální magnetický moment ). Mimořádně přesná shoda tohoto předpokládaného rozdílu s experimentálně stanovenou hodnotou je považována za jeden z velkých úspěchů kvantové elektrodynamiky .

Zjevný paradox v klasické fyzice bodového částicového elektronu majícího vnitřní moment hybnosti a magnetický moment lze vysvětlit tvorbou virtuálních fotonů v elektrickém poli generovaném elektronem. Tyto fotony lze heuristicky považovat za způsobující pohyb elektronu nervózním způsobem (známý jako zitterbewegung ), což má za následek čistý kruhový pohyb s precesí . Tento pohyb produkuje jak spin, tak magnetický moment elektronu. U atomů toto vytváření virtuálních fotonů vysvětluje Beránkův posun pozorovaný ve spektrálních čarách . Comptonova vlnová délka ukazuje, že v blízkosti elementárních částic, jako je elektron, nejistota energie umožňuje vytvoření virtuálních částic v blízkosti elektronu. Tato vlnová délka vysvětluje „statiku“ virtuálních částic kolem elementárních částic v blízké vzdálenosti.

Interakce

Elektron generuje elektrické pole, které působí přitažlivou silou na částici s kladným nábojem, jako je proton, a odpudivou silou na částici se záporným nábojem. Síla této síly v nerelativistické aproximaci je určena Coulombovým inverzním čtvercovým zákonem . Když je elektron v pohybu, vytváří magnetické pole . Zákon Ampere-Maxwell se týká magnetické pole k masové pohybu elektronů (dále aktuální ) vzhledem k pozorovateli. Tato vlastnost indukce dodává magnetické pole, které pohání elektromotor . Elektromagnetické pole libovolně se pohybující nabité částice je vyjádřeno potenciály Liénard – Wiechert , které platí, i když je rychlost částice blízká rychlosti světla ( relativistická ).

Graf s oblouky ukazujícím pohyb nabitých částic
Částice s nábojem q (vlevo) se pohybuje rychlostí v magnetickým polem B, které je orientováno směrem k divákovi. Pro elektron je q záporné, takže sleduje zakřivenou trajektorii směrem nahoru.

Když se elektron pohybuje magnetickým polem, je vystaven Lorentzově síle, která působí kolmo na rovinu definovanou magnetickým polem a rychlostí elektronu. Tato dostředivá síla způsobí, že elektron sleduje pole po šroubovici v poloměru zvaném gyroradius . Zrychlení z tohoto zakřiveného pohybu indukuje elektron vyzařovat energii ve formě synchrotronového záření. Energetická emise zase způsobuje zpětný ráz elektronu, známý jako Abraham – Lorentz – Dirac Force , který vytváří tření, které elektron zpomaluje. Tato síla je způsobena zpětnou reakcí vlastního pole elektronu na sebe.

Křivka ukazuje pohyb elektronu, červená tečka ukazuje jádro a vlnitá čára emitovaný foton
Zde je Bremsstrahlung produkován elektronem e vychýleným elektrickým polem atomového jádra. Energetická změna E 2  -  E 1 určuje frekvenci f emitovaného fotonu.

Fotony zprostředkovávají elektromagnetické interakce mezi částicemi v kvantové elektrodynamice . Izolovaný elektron při konstantní rychlosti nemůže emitovat ani absorbovat skutečný foton; to by porušilo zachování energie a hybnosti . Místo toho mohou virtuální fotony přenášet hybnost mezi dvěma nabitými částicemi. Tato výměna virtuálních fotonů například generuje Coulombovu sílu. Emise energie může nastat, když je pohybující se elektron vychýlen nabitou částicí, například protonem. Zrychlení elektronu vede k emisi záření Bremsstrahlung .

Neelastická kolize mezi fotonem (světlem) a solitérním (volným) elektronem se nazývá Comptonův rozptyl . Tato kolize má za následek přenos hybnosti a energie mezi částicemi, který upravuje vlnovou délku fotonu o částku nazývanou Comptonův posun . Maximální velikost tohoto posunu vlnové délky je h / m e c , což je známé jako Comptonova vlnová délka . Pro elektron má hodnotu2,43 × 10 −12  m . Když je vlnová délka světla dlouhá (například vlnová délka viditelného světla je 0,4–0,7 μm), posun vlnové délky se stává zanedbatelným. Taková interakce mezi světlem a volnými elektrony se nazývá Thomsonův rozptyl nebo lineární Thomsonův rozptyl.

Relativní síla elektromagnetické interakce mezi dvěma nabitými částicemi, jako je elektron a proton, je dána konstantou jemné struktury . Tato hodnota je bezrozměrná veličina tvořená poměrem dvou energií: elektrostatické energie přitažlivosti (nebo odpudivosti) při oddělení jedné Comptonovy vlnové délky a zbytkové energie náboje. Je to dáno α  ≈ 7,297 353 × 10 −3 , což je přibližně rovno1/137.

Když se elektrony a pozitrony srazí, navzájem se zničí , což vede ke vzniku dvou nebo více fotonů gama záření. Pokud mají elektron a pozitron zanedbatelnou hybnost, může se atom pozitronu vytvořit před zničením, což má za následek dva nebo tři fotony gama záření v celkové hodnotě 1,022 MeV. Na druhé straně se foton s vysokou energií může transformovat na elektron a pozitron procesem nazývaným párová produkce , ale pouze za přítomnosti blízké nabité částice, jako je jádro.

V teorii elektroslabé interakce tvoří levá ruka elektronové vlnové funkce slabý izospinový dublet s elektronovým neutrinem . To znamená, že během slabých interakcí se elektronová neutrina chovají jako elektrony. Každý člen tohoto dubletu může podstoupit interakci nabitého proudu vyzařováním nebo absorbováním a
W
a být převedeni na druhého člena. Během této reakce je náboj konzervován, protože W boson také nese náboj a ruší jakoukoli čistou změnu během transmutace. Interakce s nabitým proudem jsou zodpovědné za jev rozpadu beta v radioaktivním atomu. Elektron i elektronové neutrino mohou podstoupit interakci neutrálního proudu prostřednictvím a
Z0
výměnu, a to je zodpovědné za elastický rozptyl neutrin a elektronů .

Atomy a molekuly

Tabulka pěti řádků a pěti sloupců, z nichž každá buňka zobrazuje hustotu pravděpodobnosti barevně odlišenou
Hustoty pravděpodobnosti pro prvních pár orbitálů atomů vodíku, vidět v řezu. Energetická hladina vázaného elektronu určuje orbitál, který zaujímá, a barva odráží pravděpodobnost nalezení elektronu v dané poloze.

Elektron může být vázán na jádro atomu přitažlivou Coulombovou silou. Systém jednoho nebo více elektronů vázaných na jádro se nazývá atom. Pokud se počet elektronů liší od elektrického náboje jádra, nazývá se takový atom iontem . Vlnové chování vázaného elektronu je popsáno funkcí nazývanou atomový orbital . Každý orbitál má svou vlastní sadu kvantových čísel, jako je energie, moment hybnosti a projekce momentu hybnosti, a kolem jádra existuje pouze diskrétní sada těchto orbitálů. Podle Pauliho vylučovacího principu každý orbitál může být obsazen až dvěma elektrony, které se musí lišit svým kvantovým číslem spinu .

Elektrony se mohou přenášet mezi různými orbitály emisí nebo absorpcí fotonů s energií, která odpovídá rozdílu v potenciálu. Mezi další metody orbitálního přenosu patří srážky s částicemi, jako jsou elektrony, a Augerův efekt . Aby unikl z atomu, musí být energie elektronu zvýšena nad jeho vazebnou energii k atomu. K tomu dochází například u fotoelektrického jevu , kdy dopadající foton přesahující ionizační energii atomu je elektronem absorbován.

Orbitální moment hybnosti elektronů je kvantován . Protože je elektron nabitý, vytváří orbitální magnetický moment, který je úměrný momentu hybnosti. Čistý magnetický moment atomu se rovná vektorovému součtu orbitálních a spinových magnetických momentů všech elektronů a jádra. Magnetický moment jádra je ve srovnání s elektrony zanedbatelný. Magnetické momenty elektronů, které zaujímají stejný orbitál (takzvané spárované elektrony), se navzájem ruší.

Chemická vazba mezi atomy dochází v důsledku elektromagnetické interakce, jak je to popsáno podle zákonů kvantové mechaniky. Nejsilnější vazby vznikají sdílením nebo přenosem elektronů mezi atomy, což umožňuje tvorbu molekul . V molekule se elektrony pohybují pod vlivem několika jader a obsazují molekulární orbitaly ; stejně jako mohou zabírat atomové orbitaly v izolovaných atomech. Základním faktorem těchto molekulárních struktur je existence elektronových párů . Jedná se o elektrony s protilehlými rotacemi, které jim umožňují obsadit stejný molekulární orbitál bez porušení principu Pauliho vyloučení (podobně jako v atomech). Různé molekulární orbitaly mají různé prostorové rozložení hustoty elektronů. Například ve spojených párech (tj. V párech, které ve skutečnosti váží atomy dohromady) lze elektrony nalézt s maximální pravděpodobností v relativně malém objemu mezi jádry. Naproti tomu v nevázaných párech jsou elektrony distribuovány ve velkém objemu kolem jader.

Vodivost

Čtyři blesky udeřily do země
Blesk výboj se skládá především z proudu elektronů. Elektrický potenciál potřebný pro blesk může být generován triboelektrickým efektem.

Pokud má tělo více nebo méně elektronů, než je zapotřebí k vyvážení kladného náboje jader, pak má tento objekt čistý elektrický náboj. Když je elektronů nadbytek, říká se, že je předmět záporně nabitý. Když je v jádrech méně elektronů než počet protonů, říká se, že je předmět kladně nabitý. Když je počet elektronů a počet protonů stejný, jejich náboje se navzájem ruší a objekt je údajně elektricky neutrální. Makroskopické tělo může vyvinout elektrický náboj třením pomocí triboelektrického jevu .

Nezávislé elektrony pohybující se ve vakuu se nazývají volné elektrony. Elektrony v kovech se také chovají, jako by byly volné. Ve skutečnosti jsou částice, které se běžně nazývají elektrony v kovech a jiných pevných látkách, kvazi elektrony- kvazičástice , které mají stejný elektrický náboj, spin a magnetický moment jako skutečné elektrony, ale mohou mít jinou hmotnost. Když se pohybují volné elektrony - ve vakuu i v kovech - vytvářejí čistý tok náboje nazývaný elektrický proud , který generuje magnetické pole. Podobně může být proud vytvářen měnícím se magnetickým polem. Tyto interakce jsou matematicky popsány Maxwellovými rovnicemi .

Při dané teplotě má každý materiál elektrickou vodivost, která určuje hodnotu elektrického proudu při aplikaci elektrického potenciálu . Mezi příklady dobrých vodičů patří kovy, jako je měď a zlato, zatímco sklo a teflon jsou špatné vodiče. V každém dielektrickém materiálu zůstávají elektrony vázány na své příslušné atomy a materiál se chová jako izolant . Většina polovodičů má proměnlivou úroveň vodivosti, která leží mezi extrémy vedení a izolace. Na druhé straně mají kovy strukturu elektronického pásma obsahující částečně vyplněná elektronická pásma. Přítomnost takových pásů umožňuje elektronům v kovech chovat se, jako by to byly volné nebo delokalizované elektrony . Tyto elektrony nejsou spojeny se specifickými atomy, takže když je aplikováno elektrické pole, mohou se pohybovat jako plyn (nazývaný Fermiho plyn ) materiálem podobně jako volné elektrony.

Kvůli srážkám mezi elektrony a atomy je driftová rychlost elektronů ve vodiči řádově milimetry za sekundu. Rychlost, při které změna proudu v jednom bodě materiálu způsobí změny proudů v jiných částech materiálu, rychlost šíření , je však typicky asi 75% rychlosti světla. K tomu dochází, protože elektrické signály se šíří jako vlna, přičemž rychlost závisí na dielektrické konstantě materiálu.

Kovy dělají relativně dobré vodiče tepla, především proto, že delokalizované elektrony mohou volně přenášet tepelnou energii mezi atomy. Na rozdíl od elektrické vodivosti je tepelná vodivost kovu téměř nezávislá na teplotě. Matematicky to vyjadřuje Wiedemann – Franzův zákon , který uvádí, že poměr tepelné vodivosti k elektrické vodivosti je úměrný teplotě. Tepelná porucha v kovové mřížce zvyšuje elektrický odpor materiálu a vytváří teplotní závislost pro elektrický proud.

Když jsou materiály ochlazeny pod bod nazývaný kritická teplota , mohou projít fázovým přechodem, při kterém ztratí veškerý odpor vůči elektrickému proudu v procesu známém jako supravodivost . V teorii BCS mají páry elektronů nazývané Cooperovy páry svůj pohyb spojený s blízkou hmotou prostřednictvím mřížkových vibrací nazývaných fonony , čímž se zabrání srážkám s atomy, které normálně vytvářejí elektrický odpor. (Cooperovy páry mají poloměr zhruba 100 nm, takže se mohou navzájem překrývat.) Mechanismus, kterým supravodiče s vyšší teplotou působí, však zůstává nejistý.

Elektrony uvnitř vodivých pevných látek, což jsou samy o sobě kvazičástice, se při těsném uzavření při teplotách blízkých absolutní nule chovají, jako by se rozdělily na další tři kvazičástice : spinony , orbitony a holony . První nese rotaci a magnetický moment, další nese svoji orbitální polohu, zatímco druhý elektrický náboj.

Pohyb a energie

Podle Einsteinovy teorie speciální relativity , jak se rychlost elektronu blíží rychlosti světla , z pohledu pozorovatele se jeho relativistická hmotnost zvyšuje, a proto je stále obtížnější jej zrychlovat z referenčního rámce pozorovatele. Rychlost elektronu se může přiblížit, ale nikdy nedosáhnout rychlosti světla ve vakuu, c . Když jsou však relativistické elektrony - tj. Elektrony pohybující se rychlostí blízkou c - injektovány do dielektrického média, jako je voda, kde je místní rychlost světla výrazně menší než c , elektrony se v médiu dočasně pohybují rychleji než světlo . Při interakci s médiem generují slabé světlo zvané Čerenkovovo záření .

Děj začíná na nule a křivky se prudce zvedají směrem doprava
Lorentzův faktor jako funkce rychlosti. Začíná na hodnotě 1 a pokračuje do nekonečna, když se v blíží c .

Účinky speciální relativity jsou založeny na veličině známé jako Lorentzův faktor , definovaný jako kde v je rychlost částice. Kinetická energie K e elektronu pohybujícího se rychlostí v je:

kde m e je hmotnost elektronu. Například Stanfordův lineární urychlovač může urychlit elektron na zhruba 51 GeV. Protože se elektron chová jako vlna, má při dané rychlosti charakteristickou de Broglieovu vlnovou délku . To je dáno vztahem λ e  =  h / p kde h je Planckova konstanta a p je hybnost. V případě elektronu 51 GeV výše je vlnová délka asi2,4 x 10 -17  m , dostatečně malý, aby prozkoumala struktury dobře pod velikosti atomového jádra.

Formace

Foton se blíží k jádru zleva, přičemž výsledný elektron a pozitron se stěhují doprava
Produkce páru elektronu a pozitronu, způsobená blízkým přístupem fotonu s atomovým jádrem. Symbol blesku představuje výměnu virtuálního fotonu, takže působí elektrická síla. Úhel mezi částicemi je velmi malý.

Big Bang teorie je nejvíce široce přijímaná vědecká teorie vysvětlit časná stadia ve vývoji vesmíru. První milisekundu Velkého třesku byly teploty přes 10 miliard  kelvinů a fotony měly průměrné energie přes milion elektronvoltů . Tyto fotony byly dostatečně energetické, aby na sebe mohly reagovat a vytvořit páry elektronů a pozitronů. Podobně se páry pozitronů a elektronů navzájem anihilovaly a emitovaly energetické fotony:


γ
+
γ

E+
+
E-

Během této fáze vývoje vesmíru byla udržována rovnováha mezi elektrony, pozitrony a fotony. Po 15 sekundách však teplota vesmíru klesla pod práh, kde by mohlo dojít k tvorbě elektronů a pozitronů. Většina přežívajících elektronů a pozitronů se navzájem zničila a uvolnila záření gama, které na krátkou dobu ohřálo vesmír.

Z důvodů, které zůstávají nejisté, během procesu anihilace došlo k nadbytku počtu částic nad antičásticemi. Přežil tedy asi jeden elektron na každou miliardu párů elektronů a pozitronů. Tento přebytek odpovídal přebytku protonů nad antiprotony, ve stavu známém jako baryonová asymetrie , což mělo za následek čistý náboj nuly pro vesmír. Přeživší protony a neutrony se začaly účastnit vzájemných reakcí - v procesu známém jako nukleosyntéza , vytvářející izotopy vodíku a hélia se stopovým množstvím lithia . Tento proces dosáhl vrcholu zhruba po pěti minutách. Jakékoli zbylé neutrony prošly negativním rozpadem beta s poločasem asi tisíc sekund, přičemž se při tom uvolnil proton a elektron,


n

p
+
E-
+
ν
E

Asi na další 300 000 -400 000  let zůstaly přebytečné elektrony příliš energické, než aby se mohly vázat na atomová jádra . Následovalo období známé jako rekombinace , kdy se vytvořily neutrální atomy a rozpínající se vesmír se stal pro záření transparentním.

Zhruba jeden milion let po velkém třesku se začala formovat první generace hvězd . Hvězdná nukleosyntéza uvnitř hvězdy vede k produkci pozitronů z fúze atomových jader. Tyto částice antihmoty okamžitě zničí elektrony a uvolní paprsky gama. Čistým výsledkem je stálé snižování počtu elektronů a odpovídající zvyšování počtu neutronů. Proces hvězdné evoluce však může vést k syntéze radioaktivních izotopů. Vybrané izotopy mohou následně projít negativním beta rozpadem, přičemž z jádra emitují elektron a antineutrino. Příkladem je izotop kobaltu-60 ( 60 Co), který se rozkládá za vzniku niklu-60 (60
Ni
).

Větvící strom představující produkci částic
Rozšířená vzduchová sprcha generovaná energetickým kosmickým paprskem dopadajícím na zemskou atmosféru

Na konci své životnosti může hvězda s více než 20 slunečními hmotami projít gravitačním kolapsem za vzniku černé díry . Podle klasické fyziky působí tyto hmotné hvězdné objekty gravitační přitažlivost, která je dostatečně silná, aby zabránila úniku jakéhokoli, dokonce i elektromagnetického záření , kolem Schwarzschildova poloměru . Předpokládá se však, že kvantové mechanické efekty potenciálně umožňují emisi Hawkingova záření na tuto vzdálenost. Předpokládá se, že elektrony (a pozitrony) vznikají na horizontu událostí těchto hvězdných zbytků .

Když je v blízkosti horizontu událostí vytvořena dvojice virtuálních částic (například elektronů a pozitronů), může dojít k náhodnému prostorovému umístění, kdy se jedna z nich objeví na vnější straně; tento proces se nazývá kvantové tunelování . Gravitační potenciální černé díry pak může dodávat energii, která přeměňuje tento virtuální částice do reálného částice, což umožňuje vyzařovat pryč do vesmíru. Výměnou je druhému členu dvojice dána záporná energie, což má za následek čistou ztrátu hmotné energie černou dírou. Rychlost Hawkingova záření se zvyšuje s klesající hmotou, což nakonec způsobuje odpařování černé díry, až nakonec exploduje.

Kosmické paprsky jsou částice cestující prostorem s vysokými energiemi. Energetické události tak vysoké jakoBylo zaznamenáno 3,0 × 10 20  eV . Když se tyto částice srazí s nukleony v zemské atmosféře , vytvoří se sprcha částic, včetně pionů . Více než polovinu kosmického záření pozorovaného z povrchu Země tvoří miony . Částice zvaná muon je lepton, který vzniká v horních vrstvách atmosféry rozpadem piona.


π-

μ-
+
ν
μ

Mion se zase může rozkládat za vzniku elektronu nebo pozitronu.


μ-

E-
+
ν
E
+
ν
μ

Pozorování

Vířící zelená záře na noční obloze nad zasněženou zemí
Polární záře jsou většinou způsobeny energetickými elektrony vysráženými do atmosféry .

Dálkové pozorování elektronů vyžaduje detekci jejich vyzařované energie. Například v prostředí s vysokou energií, jako je koróna hvězdy, volné elektrony tvoří plazmu, která vyzařuje energii díky Bremsstrahlungovu záření. Elektronový plyn může procházet oscilací plazmy , což jsou vlny způsobené synchronizovanými změnami hustoty elektronů, a ty produkují emise energie, které lze detekovat pomocí radioteleskopů .

Frekvence z fotonu je úměrná jeho energii. Jako vázaný elektron přechází mezi různými energetickými hladinami atomu, absorbuje nebo emituje fotony na charakteristických frekvencích. Například když jsou atomy ozářeny zdrojem se širokým spektrem, objeví se ve spektru vysílaného záření zřetelné tmavé čáry v místech, kde je odpovídající frekvence absorbována elektrony atomu. Každý prvek nebo molekula zobrazuje charakteristickou sadu spektrálních čar, jako jsou spektrální řady vodíku . Když jsou detekována, spektroskopická měření síly a šířky těchto čar umožňují určit složení a fyzikální vlastnosti látky.

V laboratorních podmínkách lze interakce jednotlivých elektronů pozorovat pomocí detektorů částic , které umožňují měření specifických vlastností, jako je energie, spin a náboj. Vývoj Paulovy pasti a Penningovy pasti umožňuje, aby nabité částice byly obsaženy v malé oblasti po dlouhou dobu. To umožňuje přesné měření vlastností částic. Například v jednom případě byla Penningova past použita k uložení jediného elektronu po dobu 10 měsíců. Magnetický moment elektronu byl měřen s přesností na jedenáct číslic, což bylo v roce 1980 větší přesnost než u jakékoli jiné fyzikální konstanty.

První videoobraz distribuce energie elektronu zachytil tým na univerzitě v Lundu ve Švédsku v únoru 2008. Vědci použili extrémně krátké záblesky světla, nazývané attosekundové pulzy, které umožnily poprvé pozorovat pohyb elektronu.

Distribuci elektronů v pevných materiálech lze vizualizovat pomocí úhlově rozlišené fotoemisní spektroskopie (ARPES). Tato technika využívá fotoelektrický efekt k měření vzájemného prostoru - matematické znázornění periodických struktur, které se používá k odvození původní struktury. ARPES lze použít k určení směru, rychlosti a rozptylu elektronů v materiálu.

Plazmové aplikace

Částicové paprsky

Fialový paprsek shora vytváří kolem modelu raketoplánu modrou záři
Během testu aerodynamického tunelu NASA je model raketoplánu zaměřen paprskem elektronů, který simuluje účinek ionizujících plynů při opětovném vstupu .

Při svařování se používají elektronové paprsky . Umožňují hustotu energie až10 7  W · cm −2 přes úzký průměr ohniska 0,1–1,3 mm a obvykle nevyžadují žádný výplňový materiál. Tato svařovací technika musí být prováděna ve vakuu, aby se zabránilo interakci elektronů s plynem před dosažením jejich cíle, a lze ji použít ke spojení vodivých materiálů, které by jinak byly považovány za nevhodné pro svařování.

Elektronová litografie (EBL) je metoda leptání polovodičů v rozlišení menším než mikrometr . Tato technika je omezena vysokými náklady, pomalým výkonem, potřebou provozovat paprsek ve vakuu a tendencí elektronů rozptylovat se v pevných látkách. Poslední problém omezuje rozlišení na přibližně 10 nm. Z tohoto důvodu se EBL primárně používá k výrobě malého počtu specializovaných integrovaných obvodů .

Zpracování elektronovým paprskem se používá k ozařování materiálů za účelem změny jejich fyzikálních vlastností nebo sterilizaci lékařských a potravinářských výrobků. Elektronové paprsky fluidizují nebo kvazi-taví skla bez výrazného zvýšení teploty při intenzivním ozáření: např. Intenzivní elektronové záření způsobuje mnohonásobné snížení viskozity a postupné snižování její aktivační energie.

Lineární urychlovače částic vytvářejí elektronové paprsky pro léčbu povrchových nádorů v radiační terapii . Elektronová terapie může léčit takové kožní léze, jako jsou bazocelulární karcinomy, protože elektronový paprsek pronikne před absorpcí pouze do omezené hloubky, typicky až 5 cm pro energie elektronů v rozmezí 5–20 MeV. Elektronový paprsek lze použít k doplnění léčby oblastí, které byly ozářeny rentgenovými paprsky .

Urychlovače částic používají elektrická pole k pohonu elektronů a jejich antičástic k vysokým energiím. Tyto částice při průchodu magnetickými poli vyzařují synchrotronové záření. Závislost intenzity tohoto záření na rotaci polarizuje elektronový paprsek - proces známý jako Sokolov – Ternovův efekt . Polarizované svazky elektronů mohou být užitečné pro různé experimenty. Synchrotronové záření může také ochlazovat svazky elektronů, aby se omezilo šíření hybnosti částic. Při urychlování částic na požadované energie dochází ke srážce elektronových a pozitronových paprsků; detektory částic sledují výsledné energetické emise, které fyzika částic studuje.

Zobrazování

Nízkoenergetická elektronová difrakce (LEED) je metoda bombardování krystalického materiálu kolimovaným svazkem elektronů a následným pozorováním výsledných difrakčních obrazců ke stanovení struktury materiálu. Potřebná energie elektronů se obvykle pohybuje v rozmezí 20–200 eV. Odraz vysokoenergetický elektronová difrakce (RHEED) technika používá odraz paprsku elektronů vypaluje při různých malých úhlech k charakterizaci povrchu krystalických materiálů. Energie paprsku se obvykle pohybuje v rozmezí 8–20 keV a úhel dopadu je 1–4 °.

Elektronový mikroskop směruje zaostřeného paprsku elektronů na vzorku. Některé elektrony mění své vlastnosti, například směr pohybu, úhel a relativní fázi a energii, jak paprsek interaguje s materiálem. Mikroskopisté mohou zaznamenat tyto změny v elektronovém paprsku a vytvořit atomově rozlišené obrazy materiálu. V modrém světle mají konvenční optické mikroskopy rozlišení omezené difrakcí přibližně 200 nm. Pro srovnání, elektronové mikroskopy jsou omezeny de Broglieho vlnovou délkou elektronu. Tato vlnová délka se například rovná 0,0037 nm pro elektrony zrychlené přes 100 000 voltový potenciál. Transmisní elektronová korekcí aberací mikroskop je schopen rozlišení sub-0,05 nm, což je více než dostatečné k vyřešení jednotlivé atomy. Díky této schopnosti je elektronový mikroskop užitečným laboratorním nástrojem pro zobrazování ve vysokém rozlišení. Elektronové mikroskopy jsou však drahé nástroje, jejichž údržba je nákladná.

Existují dva hlavní typy elektronových mikroskopů: přenos a skenování . Transmisní elektronové mikroskopy fungují jako zpětné projektory , přičemž paprsek elektronů prochází plátek materiálu a poté je promítán čočkami na fotografický sklíčko nebo zařízení s nábojovou vazbou . Skenovací elektronové mikroskopy rasterují jemně zaostřený elektronový paprsek, jako v televizi, přes studovaný vzorek k vytvoření obrazu. Zvětšení se u obou typů mikroskopů pohybuje od 100 × do 1 000 000 × nebo více. Rastrovacího tunelového mikroskopu používá kvantové tunelování elektronů z ostrým kovovým hrotem do studovaného materiálu a mohou produkovat atomicky vyřešit obrazy jeho povrchu.

Další aplikace

V laseru s volnými elektrony (FEL) prochází relativistický elektronový paprsek dvojicí zvlňovačů, které obsahují pole dipólových magnetů, jejichž pole ukazují ve střídajících se směrech. Elektrony vyzařují synchrotronové záření, které koherentně interaguje se stejnými elektrony, aby silně zesílilo radiační pole na rezonanční frekvenci. FEL může vyzařovat koherentní elektromagnetické záření s vysokou brilancí se širokou škálou frekvencí, od mikrovln až po měkké rentgenové záření. Tato zařízení se používají ve výrobě, komunikaci a v lékařských aplikacích, jako je chirurgie měkkých tkání.

Elektrony jsou důležité v katodových trubicích , které byly široce používány jako zobrazovací zařízení v laboratorních přístrojích, počítačových monitorech a televizních přijímačích . Ve fotonásobiči každý foton dopadající na fotokatodu spustí lavinu elektronů, která vytvoří detekovatelný proudový impuls. Vakuové trubice využívají k manipulaci s elektrickými signály tok elektronů a hrály klíčovou roli ve vývoji elektroniky. Byly však do značné míry nahrazeny polovodičovými zařízeními , jako je tranzistor .

Viz také

Poznámky

Reference

externí odkazy