¿Qué es un electrón? Electrón (partícula elemental)

Electrón
Electrón

Electrón– la partícula más ligera cargada negativamente, parte integral de un átomo. El electrón de un átomo está unido al núcleo central, cargado positivamente, mediante atracción electrostática. Tiene carga negativa e = 1,602. 10 -19 C, masa m e = 0,511 MeV/c 2 = 9,11. 10 -28 gy centrifugar 1/2 (en unidades de ћ), es decir es un fermión. El momento magnético del electrón es μ e >>μ B, donde μ B = eћ/2m e c es el magnetón de Bohr (se utiliza el sistema de unidades gaussiano), que es consistente con el modelo de una partícula puntual sin estructura ( Según datos experimentales, el tamaño del electrón.< 10 -17 см). В пределах точности эксперимента электрон стабильная частица. Его время жизни
τ e > 4,6. 10 26 años.
El electrón pertenece a la clase de los leptones, es decir. no participa en la interacción fuerte (participa en las demás: electromagnética, débil y gravitacional). La descripción de la interacción electromagnética de un electrón viene dada por la electrodinámica cuántica, una de las ramas de la teoría cuántica de campos). El electrón tiene una característica especial inherente a los leptones: número de leptón del electrón + 1.
La antipartícula del electrón es el positrón e +, que se diferencia del electrón sólo en signos. carga eléctrica, número leptónico y momento magnético.

Características básicas del electrón.

El electrón, la primera partícula elemental descubierta, fue descubierto por J. J. Thomson en 1897. Al estudiar las características de una descarga de gas, Thomson demostró que los rayos catódicos producidos en el tubo de descarga consisten en partículas de materia cargadas negativamente. Desviando rayos catódicos en campos eléctricos y magnéticos, determinó la relación carga-masa de estas partículas e/m = 6,7·10 17 unidades. SGSE/g ( significado moderno 5.27·10 17 unidades SGSE/g). Demostró que los rayos catódicos son una corriente de partículas más ligeras que los átomos y no dependen de la composición del gas. Estas partículas se llamaron electrones. El descubrimiento del electrón y el establecimiento del hecho de que todos los átomos contienen electrones proporcionaron información importante sobre la estructura interna del átomo.

Electrón. Educación y estructura del electrón. Monopolo magnético de un electrón.

(continuación)

Parte 4. La estructura del electrón.

4.1. Un electrón es una partícula de dos componentes, que consta únicamente de dos campos superdensos (condensados, concentrados): el campo eléctrico negativo y el campo magnético N. Donde:

a) la densidad electrónica es la máxima posible en la Naturaleza;

b) dimensiones electrónicas (D = 10 -17 cm o menos) - mínimo en la naturaleza;

c) de acuerdo con el requisito de minimización de energía, todas las partículas: electrones, positrones, partículas con carga fraccionada, protones, neutrones, etc. deben tener (y tener) forma esférica;

d) por razones aún desconocidas, independientemente del valor energético del fotón "padre", absolutamente todos los electrones (y positrones) nacen absolutamente idénticos en sus parámetros (por ejemplo, la masa de absolutamente todos los electrones y positrones es 0,511 MeV).

4.2. “Se ha establecido de forma fiable que el campo magnético de un electrón es la misma propiedad integral que su masa y carga. Los campos magnéticos de todos los electrones son los mismos, al igual que sus masas y cargas." (c) Esto automáticamente nos permite sacar una conclusión inequívoca sobre la equivalencia de la masa y la carga del electrón, es decir: la masa del electrón. es el equivalente de la carga, y viceversa: la carga del electrón es el equivalente de la masa (para el positrón, de manera similar).

4.3. Esta propiedad de equivalencia también se aplica a partículas con cargas fraccionarias (+2/3) y (-1/3), que son la base de los quarks. Es decir: la masa de un positrón, un electrón y todas las partículas fraccionarias es el equivalente de su carga, y viceversa: las cargas de estas partículas son el equivalente de la masa. Por lo tanto, la carga específica del electrón, del positrón y de todas las partículas fraccionarias es la misma (constante) y es igual a 1,76 * 10 11 Kl/kg.

4.4. Porque el un cuanto elemental de energía es automáticamente un cuanto elemental de masa, entonces la masa del electrón (teniendo en cuenta la presencia de partículas fraccionarias 1/3 y 2/3) debe tener valores , múltiplos de las masas de tres semicuantos negativos. (Ver también “Fotón. La estructura del fotón. El principio de movimiento. párrafo 3.4.)

4.5. Determinar la estructura interna de un electrón es muy difícil por muchas razones; sin embargo, es de gran interés considerar, al menos en una primera aproximación, la influencia de dos componentes (eléctrico y magnético) en la estructura interna del electrón. Ver figura. 7.

Fig.7. Estructura interna del electrón, opciones:

Opción 1. Cada par de lóbulos semicuánticos negativos forma "microelectrones", que luego forman un electrón. En este caso, el número de “microelectrones” debe ser múltiplo de tres.

Opcion 2. Un electrón es una partícula de dos componentes, que consta de dos monopolos hemisféricos independientes acoplados: eléctrico (-) y magnético (N).

Opción #3. Un electrón es una partícula de dos componentes que consta de dos monopolos: eléctrico y magnético. En este caso, en el centro del electrón se encuentra un monopolo magnético esférico.

Opción número 4. Otras opciones.

Aparentemente, se puede considerar una opción cuando los campos eléctrico (-) y magnético (N) pueden existir dentro de un electrón no solo en forma de monopolos compactos, sino también en forma de una sustancia homogénea, es decir, formar una sustancia prácticamente sin estructura. ? ¿cristalino? ¿homogéneo? partícula. Sin embargo, esto es muy dudoso.

4.6. Cada una de las opciones propuestas para su consideración tiene sus propias ventajas y desventajas, por ejemplo:

a) Opciones N° 1. Los electrones de este diseño permiten formar fácilmente partículas fraccionarias con una masa y carga múltiplo de 1/3, pero al mismo tiempo dificultan la explicación del propio campo magnético del electrón.

b) Opción No. 2. Este electrón, cuando se mueve alrededor del núcleo de un átomo, está constantemente orientado hacia el núcleo con su monopolo eléctrico y, por lo tanto, solo puede tener dos opciones para girar alrededor de su eje: en el sentido de las agujas del reloj o en el sentido contrario a las agujas del reloj (¿exclusión de Pauli?), etc.

4.7. Al considerar las opciones indicadas (o recientemente propuestas), es imperativo tener en cuenta las propiedades y características reales del electrón, así como tener en cuenta una serie de requisitos obligatorios, por ejemplo:

Presencia de un campo eléctrico (carga);

Presencia de un campo magnético;

Equivalencia de algunos parámetros, por ejemplo: la masa de un electrón equivale a su carga y viceversa;

La capacidad de formar partículas fraccionarias con masa y carga múltiplos de 1/3;

Disponibilidad de un conjunto de números cuánticos, espín, etc.

4.8. El electrón apareció como una partícula de dos componentes, en la que la mitad (1/2) es un campo eléctrico densificado menos (monopolo eléctrico menos) y la segunda mitad (1/2) es un campo magnético densificado (monopolo magnético). -NORTE). Sin embargo, hay que tener en cuenta que:

Los campos eléctricos y magnéticos, bajo determinadas condiciones, pueden generarse entre sí (convertirse entre sí);

Un electrón no puede ser una partícula de un solo componente y estar formado al 100% por un campo negativo, ya que un campo negativo con una sola carga se desintegrará debido a fuerzas repulsivas. Por eso debe haber un componente magnético dentro del electrón.

4.9. Desafortunadamente, realice análisis completo No es posible analizar todas las ventajas y desventajas de las opciones propuestas y elegir la única opción correcta para la estructura interna del electrón en este trabajo.

Parte 5. “Propiedades ondulatorias del electrón”.

5.1. “A finales de 1924. el punto de vista según el cual la radiación electromagnética se comporta en parte como ondas y en parte como partículas fue generalmente aceptado... Y fue en ese momento cuando el francés Louis de Broglie, que en ese momento era estudiante de posgrado, tuvo una idea brillante: ¿Por qué no podría ocurrir lo mismo con el fondo? Louis de Broglie hizo el trabajo opuesto con partículas al que Einstein hizo con ondas de luz. Einstein relacionó las ondas electromagnéticas con partículas de luz; De Broglie relacionó el movimiento de partículas con la propagación de ondas, a las que llamó ondas de materia. La hipótesis de De Broglie se basaba en la similitud de ecuaciones que describen el comportamiento de los rayos de luz y las partículas de materia y era de naturaleza puramente teórica. Se requirieron hechos experimentales para confirmarlo o refutarlo.” (c)

5.2. “En 1927, los físicos estadounidenses K. Davisson y K. Germer descubrieron que cuando los electrones se “reflejan” en la superficie de un cristal de níquel, aparecen máximos en ciertos ángulos de reflexión. Ya se disponía de datos similares (la aparición de máximos) a partir de la observación de la difracción de ondas de rayos X en estructuras cristalinas. Por lo tanto, la aparición de estos máximos en los haces de electrones reflejados no podía explicarse de otra manera que no fuera basándose en ideas sobre las ondas y su difracción. Así, se demostraron experimentalmente las propiedades ondulatorias de las partículas-electrones (y la hipótesis de De Broglie). ."(C)

5.3. Sin embargo, la consideración del proceso de aparición de las propiedades corpusculares de un fotón descrito en este trabajo (ver Fig. 5) nos permite sacar conclusiones bastante inequívocas:

a) a medida que la longitud de onda disminuye de 10 -4 a 10 - 10 (C)(C)(C)(C)(C) ver cómo los campos eléctricos y magnéticos del fotón se vuelven más densos

(C)(C)(C)(C)(C)(C)(C)(C)(C)(C) b) cuando los campos eléctricos y magnéticos se vuelven más densos en la “línea divisoria”, comienza un rápido aumento de la “densidad” de los campos, y ya en el rango de los rayos X la densidad del campo es comparable a la densidad de un “ordinario ”partícula.

c) por lo tanto, un fotón de rayos X, cuando interactúa con un obstáculo, ya no se refleja en el obstáculo como una onda, sino que comienza a rebotar en él como una partícula.

5.4. Eso es:

a) ya en el rango de rayos X suaves, los campos electromagnéticos de los fotones se han vuelto tan densos que es muy difícil detectar sus propiedades ondulatorias. Cita: "Cuanto más corta es la longitud de onda de un fotón, más difícil es detectar las propiedades de una onda y más pronunciadas son las propiedades de una partícula".

b) en los rangos de rayos X duros y gamma, los fotones se comportan como partículas 100% y es casi imposible detectar propiedades ondulatorias en ellos. Es decir: un fotón de rayos X y gamma pierde por completo las propiedades de una onda y se convierte al cien por cien en una partícula. Cita: “La energía de los cuantos en los rangos de rayos X y gamma es tan alta que la radiación se comporta casi en su totalidad como una corriente de partículas” (c).

c) por lo tanto, en experimentos sobre la dispersión de un fotón de rayos X desde la superficie de un cristal, ya no era una onda, sino una partícula ordinaria la que rebotaba en la superficie del cristal y repetía la estructura de la red cristalina.

5.5. Antes de los experimentos de K. Davisson y K. Germer, ya existían datos experimentales sobre la observación de la difracción de ondas de rayos X en estructuras cristalinas. Por lo tanto, habiendo obtenido resultados similares en experimentos con la dispersión de electrones sobre un cristal de níquel, automáticamente atribuyeron propiedades ondulatorias al electrón. Sin embargo, un electrón es una partícula “sólida” que tiene una masa real en reposo, dimensiones, etc. No es la partícula-electrón la que se comporta como una onda-fotón, sino que el fotón de rayos X tiene (y exhibe) todas las propiedades. de una partícula. No es el electrón el que se refleja en el obstáculo como fotón, sino el fotón de rayos X el que se refleja en el obstáculo como partícula.

5.6. Por lo tanto: el electrón (y otras partículas) no tenía, no tiene ni puede tener ninguna “propiedad ondulatoria”. Y no existen requisitos previos, y mucho menos oportunidades, para cambiar esta situación.

Parte 6. Conclusiones.

6.1 El electrón y el positrón son las primeras y fundamentales partículas, cuya presencia determinó la aparición de los quarks, los protones, el hidrógeno y todos los demás elementos de la tabla periódica.

6.2. Históricamente, una partícula se llamaba electrón y se le asignaba un signo menos (materia), y la otra se llamaba positrón y se le asignaba un signo más (antimateria). “Acordaron considerar negativa la carga eléctrica de un electrón, de acuerdo con un acuerdo anterior, llamar negativa a la carga del ámbar electrificado” (c).

6.3. Un electrón puede aparecer (aparecer = nacer) sólo en par con un positrón (par electrón-positrón). La aparición en la naturaleza de al menos un electrón o positrón "no apareado" (único) es una violación de la ley de conservación de la carga, la neutralidad eléctrica general de la materia, y es técnicamente imposible.

6.4. La formación de un par electrón-positrón en el campo de Coulomb de una partícula cargada ocurre después de la separación de cuantos de fotones elementales en dirección longitudinal en dos partes: negativa, a partir de la cual se forma la partícula negativa (electrón), y positiva, a partir de la cual se forma la partícula positiva (positrón). La división de un fotón eléctricamente neutro en dirección longitudinal en dos partes absolutamente iguales en masa, pero diferentes en cargas (y campos magnéticos) es una propiedad natural del fotón, resultante de las leyes de conservación de la carga, etc. " el electrón de cantidades incluso insignificantes de "partículas positivas" y "dentro" del positrón, la "partícula negativa", está excluido. También se excluye la presencia de “partículas” eléctricamente neutras (restos, trozos, fragmentos, etc.) del fotón madre dentro del electrón y el protón.

6.5. Por razones desconocidas, absolutamente todos los electrones y positrones nacen como partículas estándar "máximo-mínimo" (es decir, no pueden ser más grandes ni más pequeños en masa, carga, dimensiones y otras características). Se excluye la formación de partículas positivas (positrones) y partículas negativas (electrones), más pequeñas o más grandes, a partir de fotones electromagnéticos.

6.6. La estructura interna de un electrón está predeterminada únicamente por la secuencia de su aparición: el electrón se forma como una partícula de dos componentes, que es en un 50% un campo eléctrico densificado negativo (monopolo eléctrico negativo) y un 50% un campo magnético densificado. campo (monopolo magnético-N). Estos dos monopolos pueden considerarse como partículas con cargas diferentes, entre las cuales surgen fuerzas de atracción (adhesión) mutua.

6.7. Los monopolos magnéticos existen, pero no en forma libre, sino sólo como componentes de un electrón y un positrón. En este caso, el monopolo magnético (N) es parte integral del electrón y el monopolo magnético (S) es parte integral del positrón. La presencia de un componente magnético "dentro" del electrón es obligatoria, ya que sólo un monopolo magnético (N) puede formar un enlace muy fuerte (y de fuerza sin precedentes) con un monopolo eléctrico con carga única.

6.8. Los electrones y positrones tienen la mayor estabilidad y son partículas cuya desintegración es teórica y prácticamente imposible. Son indivisibles (en términos de carga y masa), es decir: se excluye la división espontánea (o forzada) de un electrón o positrón en varias partes calibradas o de "diferentes tamaños".

6.9. Un electrón es eterno y no puede “desaparecer” hasta que encuentre otra partícula que tenga cargas eléctricas y magnéticas iguales en magnitud pero de signo opuesto (positrón).

6.10. Dado que a partir de ondas electromagnéticas solo pueden aparecer dos partículas estándar (calibradas): un electrón y un positrón, sobre su base solo pueden aparecer quarks, protones y neutrones estándar. Por lo tanto, toda la materia visible (bariónica) nuestra y la de todos los demás universos consiste en partículas idénticas. elementos químicos(Tabla de Mendeleev) y en todas partes se aplican las mismas constantes físicas y leyes fundamentales, similares a "nuestras" leyes. Se excluye la aparición en cualquier punto del espacio infinito de “otras” partículas elementales y “otros” elementos químicos.

6.11. Toda la materia visible en nuestro Universo se formó a partir de fotones (presumiblemente del rango de las microondas) según el único esquema posible: fotón → par electrón-positrón → partículas fraccionarias → quarks, gluón → protón (hidrógeno). Por lo tanto, toda la materia "sólida" de nuestro Universo (incluido el Homo sapiens) son campos eléctricos y magnéticos de fotones condensados. No hubo otra “materia” para su formación en el Cosmos, no la hay ni puede haberla.

PD ¿Es el electrón inagotable?

Recientemente, los físicos han privado al electrón de su merecido título de partícula elemental. El hecho es que los científicos han asumido durante mucho tiempo que en situaciones especiales un electrón puede descomponerse en tres componentes: un holón, un espinón y una órbita. La posibilidad de la existencia separada de holón y espinón quedó demostrada hace seis años. Y ahora los científicos han logrado "separar" la órbita.

En el siglo pasado, muchos científicos experimentaron un shock: el átomo, que antes parecía único e indivisible (de hecho, la palabra "átomo" en sí se traduce del griego como "indivisible"), de repente resultó ser compuesto. es decir, formado por partículas más pequeñas. Por si acaso, los científicos los llamaron elementales; este nombre implicaba que ciertamente eran indivisibles. Sin embargo, la felicidad, por desgracia, no duró mucho: en el siglo XX, la mayoría de las partículas descubiertas anteriormente comenzaron a perder el orgulloso título de "elementales".

Todo empezó con un protón y un neutrón, las partículas que forman el núcleo atómico. Se ha demostrado que están formados por partículas más pequeñas llamadas quarks. Resulta que como son compuestos, eso significa que no son elementales. Pero el electrón tuvo más suerte: llevó este orgulloso nombre durante más tiempo que cualquier partícula atómica. Pero al final también él se vio obligado a abandonar las filas de las partículas elementales.

El hecho es que hace aproximadamente medio siglo, los físicos predijeron la posibilidad de dividir un electrón en tres cuasipartículas (lea sobre qué es esto en el artículo ""): holón, espinón y órbita. Además, el primero de ellos transferirá la carga del electrón, el otro transferirá su espín (momento angular), y el tercero es generalmente un cuanto de la onda orbital del electrón, es decir, transfiere su interacción orbital con otros electrones y el núcleo. . Es cierto que estas tres cuasipartículas no siempre aparecen cuando el electrón lo desea, sino sólo en condiciones especiales. Por ejemplo, dentro de cadenas unidimensionales de átomos que están muy cerca unos de otros (esto sucede a menudo en los nanotubos de carbono).

Me gustaría señalar de inmediato que un electrón no se desintegra en estas partículas de la misma manera que un protón o un neutrón en quarks. Es decir, incluso en los nanotubos, no sucede que al interactuar con electrones de otros átomos estrechamente espaciados, un electrón específico (por conveniencia, imaginemoslo como una bola) de repente se desmorone en tres bolas más pequeñas. Además, uno de ellos ha retenido la carga del electrón, el otro gira alrededor de su eje de la misma manera que el electrón (espín retenido) y el tercero se mueve en la misma órbita que el electrón (interacciones orbitales retenidas).

De hecho, el electrón, por supuesto, no se desintegra en ninguna partícula. Simplemente cuando se acercan entre sí dentro de una cadena unidimensional, los electrones de los átomos vecinos comienzan a interactuar entre sí de una manera especial. Y esta interacción se puede describir no basándose en las propiedades de los electrones en sí, sino imaginando que son llevadas a cabo por tres partículas hipotéticas: el mismo holón, espinón y órbita. En particular, desde hace mucho tiempo se ha demostrado experimentalmente que en tales interacciones los cambios de carga no están asociados con cambios de espín.

Pero, ¿cómo es esto posible? Imaginemos que los átomos son tan densos que los electrones forman el llamado cristal de Wigner, es decir, una estructura compacta y ordenada similar a una red cristalina. En este caso, surgirán oscilaciones colectivas de electrones en los nodos de esta red (como ocurre con las partículas nodales de cualquier cristal). Pero estas vibraciones necesariamente irán acompañadas de una transferencia de carga. En este caso, podemos hablar de la aparición de una cuasipartícula holón.

Al mismo tiempo, los electrones de la cadena tienen espín y, en consecuencia, existe cierta interacción espín-espín entre ellos. Y dado que todos los electrones están cerca unos de otros, es lógico suponer que si invertimos uno de los espines, se producirá una perturbación de espín a lo largo de la cadena. Y no irá acompañado de ninguna transferencia de carga. En este caso, estamos ante otra cuasipartícula: el espinón.

De lo que estábamos hablando ahora es de un experimento mental realizado por físicos allá por los años 90 del siglo pasado. Pero lograr el surgimiento del espinón y el holón en realidad fue posible no hace mucho tiempo, en 2006. Luego, un equipo de científicos dirigido por Kim Changyun de la Universidad de Yonsei en Seúl (República de Corea), Eli Rothenberg y Shen Zhi Xun de la Universidad de Stanford informaron sobre el descubrimiento de señales espectrales claras de espinones y holones en muestras unidimensionales de SrCuO2. Cabe señalar que esta sustancia es muy peculiar: según sus propiedades, es más probable que sea un metal, pero al mismo tiempo este material no conduce electricidad debido a la interacción constante entre electrones. Entonces decidieron separar allí el espinón y el holón.

La técnica de espectroscopia de fotoemisión con resolución de ángulo ARPES utilizada por los físicos implicaba irradiar una muestra con rayos X, provocando la emisión de electrones (también conocido como efecto fotoeléctrico). La medición de la energía cinética de los electrones emitidos y los ángulos en los que se emiten permite calcular su velocidad y grado de dispersión. Esto, a su vez, proporciona una imagen detallada del espectro de energía del electrón.

Y como se sabe que la eliminación de un electrón conduce a la formación de un "agujero" cargado positivamente, que transporta información tanto sobre el espín como sobre la carga, conviene registrar su formación. Esta misma formación de un “agujero” aparece en forma de un pico en el espectro ARPES. Si se produce una separación de carga y espín, el "agujero" se desintegra en un espín y un holón, y aparecen dos picos en el espectro ARPES. Fueron estos dos picos los que registraron los científicos. Así, se demostró la posibilidad de la existencia independiente de espinón y holón.

Recientemente, otro grupo de físicos de Alemania, Suiza, Francia y Países Bajos, liderados por la señora Justine Schlapp, logró “separar” la órbita. El “conejillo de indias” era el mismo SrCuO2. Pero la técnica era diferente: la llamada dispersión de partículas inelásticas (RIXS). Consistía en bombardear la muestra con partículas rápidas. Esto llevó a los electrones a un estado excitado y, al mismo tiempo, los investigadores pudieron observar la ubicación y configuración de sus espines.

Después de medir los espines y los momentos angulares orbitales (que caracterizan el movimiento orbital de una partícula alrededor del núcleo) de los electrones, los investigadores se dieron cuenta de que la órbita y el espín existen simultáneamente. El hecho es que el cambio en el espín y el momento angular orbital no coincidieron, lo que significa que el espín y la órbita se mueven a lo largo del Sr2CuO3 a diferentes velocidades. Es decir, se trata de cuasipartículas individuales.

Se puede comparar con una nube. Esto se debe al hecho de que los electrones tienen propiedades no solo de partículas, "trozos" de materia, sino también de propiedades. Las nubes de electrones rodean el núcleo en capas y están ubicadas a distancias estrictamente definidas de él. Durante mucho tiempo, los científicos no pudieron explicar por qué los espacios entre el núcleo y los electrones están tan estrictamente definidos y por qué, en general, cada átomo con todas sus capas electrónicas siempre tiene las mismas dimensiones. Resultó que la respuesta a este enigma también está relacionada con las propiedades ondulatorias de los electrones, con el hecho de que todas las partes del átomo tienen sus propios lugares constantes.

Pero no creas que los electrones están fijados permanentemente en estos lugares. No, pueden saltar de un caparazón a otro. Al mismo tiempo, suceden cosas asombrosas.

Si un electrón se aleja del núcleo, aumenta; si se acerca, disminuye. Este cambio de energía no se produce de forma gradual, sino repentina, abrupta. La energía se añade o disminuye en porciones muy específicas, que se denominan cuantos. Esto significa que, al saltar más cerca del núcleo, el electrón libera un cuanto de energía y, para alejarse del núcleo, debe, por el contrario, recibir de algún lugar, "absorber" un cuanto.

¿Cuáles son estos cuantos? Si ya leíste la historia “,” probablemente hayas notado que la luz es a la vez ondas y partículas, que se llaman fotones. Los fotones son cuantos de luz, es decir, las porciones más pequeñas de radiación.

Ahora debes tener una comprensión más clara de lo que se mencionó brevemente en la historia sobre la luz, una comprensión más clara de cómo se emite y absorbe la luz. A medida que los electrones saltan más cerca del núcleo, emiten luz. Y cuando la materia absorbe luz, saltan a órbitas más alejadas del núcleo. En este caso, los electrones se enriquecen con energía y la sustancia se calienta. Cuanto más enérgicos se mueven los electrones, más a menudo dan saltos y mayor es la temperatura corporal. Por eso, al absorber mucha luz, la sustancia se calienta más.

Cada sustancia tiene su propia distancia entre capas de electrones y, por tanto, su propio tamaño cuántico, su propia longitud de ondas de luz emitidas, es decir, su propio color de ondas de luz. Y es por eso que cada sustancia absorbe mejor ciertos rayos específicos: uno es rojo, otro es verde y el tercero es ultravioleta invisible.

Los electrones no sólo saltan de órbita en órbita, sino que en ocasiones se desprenden completamente del átomo. Por ejemplo, en un metal, todos los átomos ceden parte de sus electrones “en un recipiente común”. Estos electrones libres se mueven entre los átomos y transportan corriente eléctrica.

Finalmente, los electrones a veces abandonan completamente su materia y luego pueden volar por el espacio a una velocidad enorme. Y aquí aparece de nuevo la naturaleza compleja y contradictoria del electrón.

La pantalla del televisor brilla porque se dirige hacia ella un haz de electrones desde el interior. Esta viga se puede bajar y subir, mover hacia la derecha o hacia la izquierda. Los electrones se comportan como partículas que obedientemente vuelan exactamente hacia donde son enviados.

El mismo flujo de electrones se moverá de manera completamente diferente si se dirige hacia una sustancia. Volando entre átomos o acercándose a ellos, este flujo puede sortear obstáculos, como olas en el agua. El electrón, como siempre, es inestable: a veces parece una partícula, a veces una onda. Depende del tamaño de los objetos entre los que se mueve. El tubo de televisión es relativamente grande: hay un electrón, una partícula. La distancia entre los átomos de una sustancia es incomparablemente menor: allí el electrón se parece más a una onda.

Para obtener un flujo de electrones, es necesario, por ejemplo, calentar una sustancia, de la misma manera que se calienta el cátodo de un tubo de electrones (esto se trata en las historias "Radio" y ""). Esto significa que necesitas gastar energía. Y a menudo no es nada fácil arrancar un electrón de un átomo; esto requiere energía; después de todo, los electrones se mantienen bastante firmes en el átomo.

Te preguntarás: ¿qué los retiene en el átomo? ¿Por qué no se van volando? Te recordamos: tanto los electrones como el núcleo tienen cargas eléctricas y, además, no son iguales, pero sí diferentes: el núcleo está cargado positivamente y los electrones, negativamente. Estas cargas opuestas, como se las llama, se atraen entre sí.

Un electrón es como una unidad de electricidad negativa; tiene la carga negativa más pequeña de todas las posibles. Si lees el cuento “,” verás cómo esta propiedad del electrón beneficia a las personas y descubrirás cómo nació su nombre.

El contenido del artículo.

ELECTRÓN, una partícula elemental con carga eléctrica negativa que forma parte de todos los átomos, y por tanto de cualquier sustancia ordinaria. Es la más ligera de las partículas cargadas eléctricamente. Los electrones están involucrados en casi todos los fenómenos eléctricos. En un metal, algunos electrones no están unidos a los átomos y pueden moverse libremente, lo que hace que los metales sean buenos conductores de electricidad. En plasma, es decir En un gas ionizado, los átomos cargados positivamente también se mueven libremente, pero, al tener una masa mucho mayor, se mueven mucho más lento que los electrones y, por tanto, contribuyen menos a la corriente eléctrica. Debido a su pequeña masa, el electrón resultó ser la partícula más involucrada en el desarrollo de la mecánica cuántica, la teoría de la relatividad parcial y su unificación: la teoría cuántica de campos relativista. Se cree que ahora se conocen plenamente las ecuaciones que describen el comportamiento de los electrones en todas las condiciones físicas realistas. (Es cierto que la solución de estas ecuaciones para sistemas que contienen Número grande Los electrones, como los sólidos y la materia condensada, todavía plantean dificultades).

Todos los electrones son idénticos y obedecen a la estadística de Fermi-Dirac. Esta circunstancia se expresa en el principio de Pauli, según el cual dos electrones no pueden estar en el mismo estado cuántico. Una de las consecuencias del principio de Pauli es que los estados de los electrones más débilmente unidos, los electrones de valencia, que determinan Propiedades químicasÁtomos: dependen del número atómico (número de carga), que es igual al número de electrones en el átomo. El número atómico también es igual a la carga del núcleo, expresada en unidades de carga de protones. mi. Otra consecuencia es que las “nubes” de electrones que envuelven los núcleos de los átomos resisten su superposición, por lo que la materia ordinaria tiende a ocupar un determinado espacio. Como corresponde a una partícula elemental, el número de características principales de un electrón es pequeño, a saber, la masa ( a mí» 0,51 MeV » 0,91H 10 –27 g), carga (- mi" - 1.6H 10 –19 Kl) y centrifugar (1 / 2 ћ » 1/ 2 H 0,66 H 10 –33 JH s, donde es la constante de Planck h, dividido por 2 pag). Todas las demás características del electrón se expresan a través de ellos, por ejemplo el momento magnético (» 1.001 metro 3 » 1.001H 0.93H 10 –23 J/T), con la excepción de dos constantes más que caracterizan la interacción débil de los electrones ( cm. abajo).

Los primeros indicios de que la electricidad no es un flujo continuo, sino que se transfiere en porciones discretas, se obtuvieron en experimentos sobre electrólisis. El resultado fue una de las leyes de Faraday (1833): la carga de cada ion es igual a un múltiplo entero de la carga del electrón, ahora llamada carga elemental mi. El nombre "electrón" originalmente se refería a esta carga elemental. El electrón en el sentido moderno de la palabra fue descubierto por J. Thomson en 1897. Entonces ya se sabía que durante una descarga eléctrica en un gas enrarecido, aparecen "rayos catódicos", que llevan una carga eléctrica negativa y salen del cátodo ( electrodo cargado negativamente) al ánodo (electrodo cargado positivamente). Al estudiar la influencia de los campos eléctricos y magnéticos en un haz de rayos catódicos, Thomson llegó a la conclusión: si asumimos que el haz está formado por partículas cuya carga no excede la carga elemental de los iones mi, entonces la masa de tales partículas será miles de veces menor que la masa de un átomo. (De hecho, la masa de un electrón es aproximadamente 1/1837 de la masa del átomo más ligero, el hidrógeno.) Poco antes, H. Lorentz y P. Zeeman ya habían obtenido pruebas de que los electrones forman parte de los átomos: estudios del efecto La aplicación de un campo magnético a los espectros atómicos (efecto Zeeman) demostró que las partículas cargadas en el átomo, gracias a cuya presencia la luz interactúa con el átomo, tienen la misma relación carga-masa que la establecida por Thomson para las partículas de rayos catódicos. .

El primer intento de describir el comportamiento de un electrón en un átomo se asoció con el modelo del átomo de Bohr (1913). La idea de la naturaleza ondulatoria del electrón, propuesta por L. de Broglie (1924) (y confirmada experimentalmente por K. Davisson y L. Germer en 1927), sirvió de base para la mecánica ondulatoria desarrollada por E. Schrödinger. en 1926. Al mismo tiempo, basándose en el análisis de los espectros atómicos de S. Goudsmit y J. Uhlenbeck (1925) llegaron a la conclusión de que el electrón tiene un espín. P. Dirac (1928) obtuvo una ecuación de onda estricta para el electrón. La ecuación de Dirac es consistente con la teoría parcial de la relatividad y describe adecuadamente el espín y el momento magnético del electrón (sin tener en cuenta las correcciones radiativas).

La ecuación de Dirac implicaba la existencia de otra partícula: un electrón positivo, o positrón, con los mismos valores de masa y espín que el electrón, pero con el signo opuesto de la carga eléctrica y el momento magnético. Formalmente, la ecuación de Dirac permite la existencia de un electrón con una energía total de i mс 2 (mс 2 – energía en reposo del electrón), o Ј – mс 2; La ausencia de transiciones radiativas de electrones a estados con energías negativas podría explicarse suponiendo que estos estados ya están ocupados por electrones, de modo que, según el principio de Pauli, no hay espacio para electrones adicionales. Si se elimina un electrón de este “mar” de electrones de Dirac con energías negativas, el “agujero” de electrones resultante se comportará como un electrón cargado positivamente. El positrón fue descubierto en los rayos cósmicos por K. Anderson (1932).

Según la terminología moderna, un electrón y un positrón son antipartículas entre sí. Según relativista mecánica cuántica, para partículas de cualquier tipo existen antipartículas correspondientes (la antipartícula de una partícula eléctricamente neutra puede coincidir con ella). Un positrón individual es tan estable como un electrón, cuya vida útil es infinita, ya que no existen partículas más ligeras con la carga de un electrón. Sin embargo, en la materia ordinaria, un positrón tarde o temprano se combina con un electrón. (Inicialmente, un electrón y un positrón pueden formar brevemente un “átomo”, el llamado positronio, similar al átomo de hidrógeno, en el que el positrón desempeña el papel de un protón). Este proceso de unión se llama aniquilación electrón-positrón; en él se conservan la energía total, el momento y el momento angular, y el electrón y el positrón se convierten en cuantos gamma o fotones; normalmente hay dos. (Desde el punto de vista del "mar" de electrones, este proceso es una transición radiativa de un electrón a un llamado agujero, un estado desocupado con energía negativa). Si las velocidades del electrón y el positrón no son muy altas , entonces la energía de cada uno de los dos cuantos gamma es aproximadamente igual mс 2. Esta radiación de aniquilación característica permite detectar positrones. Por ejemplo, se observó radiación que emanaba del centro de nuestra galaxia. El proceso inverso de convertir energía electromagnética en un electrón y un positrón se denomina nacimiento de un par electrón-positrón. Normalmente, un rayo gamma de alta energía se "convierte" en ese par cuando vuela cerca del núcleo atómico ( campo eléctrico El núcleo es necesario, ya que la transformación de un solo fotón en un par electrón-positrón violaría las leyes de conservación de la energía y del momento). Otro ejemplo es la desintegración del primer estado excitado del núcleo de 16 O, un isótopo de oxígeno.

La emisión de electrones va acompañada de uno de los tipos de radiactividad de los núcleos. Se trata de la desintegración beta, un proceso impulsado por interacciones débiles en las que un neutrón del núcleo principal se convierte en un protón. El nombre de la desintegración proviene del nombre de "rayos beta", históricamente asignado a uno de los tipos de radiación radiactiva, que, como resultó, son electrones rápidos. La energía de los electrones de esta radiación no tiene un valor fijo, ya que (según la hipótesis propuesta por E. Fermi) durante la desintegración beta se emite otra partícula: un neutrino, que se lleva parte de la energía liberada durante Transformación nuclear. El proceso básico es:

Neutrón ® protón + electrón + antineutrino.

El electrón emitido no está contenido en el neutrón; la aparición de un electrón y un antineutrino representa el “nacimiento de un par” a partir de la energía y la carga eléctrica liberadas durante la transformación nuclear. También se produce la desintegración beta con la emisión de positrones, en la que un protón del núcleo se convierte en un neutrón. También pueden ocurrir transformaciones similares como resultado de la absorción de electrones; el proceso correspondiente se llama A-captura. Durante la desintegración beta de otras partículas, como los muones, se emiten electrones y positrones.

Papel en la ciencia y la tecnología.

Los electrones rápidos se utilizan ampliamente en ciencia moderna y Tecnología. Se utilizan para obtener radiación electromagnética, por ejemplo, los rayos X, que surgen como resultado de la interacción de electrones rápidos con la materia, y para la generación de radiación sincrotrón, que se produce cuando se mueven en un fuerte campo magnético. Los electrones acelerados se utilizan directamente, por ejemplo, en un microscopio electrónico, o a energías más altas para sondear núcleos. (En tales estudios, se descubrió la estructura de los quarks de las partículas nucleares). Los electrones y positrones de energías ultraaltas se utilizan en anillos de almacenamiento de electrones y positrones, instalaciones similares a los aceleradores de partículas. Debido a su aniquilación, los anillos de almacenamiento permiten obtener partículas elementales de masa muy grande con alta eficiencia.