Что такое электрон? Электрон (элементарная частица)

Электрон
Electron

Электрон – самая лёгкая отрицательно заряженная частица, составная часть атома. Электрон в атоме связан с центральным положительно заряженным ядром электростатическим притяжением. Он имеет отрицательный заряд е = 1.602 . 10 -19 Кл, массу m е = 0.511 МэВ/с 2 = 9.11 . 10 -28 г и спин 1/2 (в единицах ћ), т.е. является фермионом. Магнитный момент электрона μ е >>μ В, где μ В = ећ/2m е с – магнетон Бора (использована Гауссова система единиц), что согласуется с моделью точечноподобной бесструктурной частицы (согласно опытным данным размер электрона < 10 -17 см). В пределах точности эксперимента электрон стабильная частица. Его время жизни
τ е > 4.6 . 10 26 лет.
Электрон принадлежит к классу лептонов, т.е. не участвует в сильном взаимодействии (участвует в остальных – электромагнитном, слабом и гравитационном). Описание электромагнитного взаимодействия электрона даётся квантовой электродинамикой – одним из разделов квантовой теории поля). У электрона имеется специальная характеристика, присущая лептонам, – электронное лептонное число + 1.
Античастицей электрона является позитрон е + , отличающийся от электрона только знаками электрического заряда, лептонного числа и магнитного момента.

Основные характеристики электрона

Электрон – первая из открытых элементарных частиц – был открыт Дж. Дж. Томсоном в 1897 г. Изучая характеристики газового разряда, Томсон показал, что катодные лучи, образующиеся в разрядной трубке, состоят из отрицательно заряженных частиц вещества. Отклоняя катодные лучи в электрических и магнитных полях, он определил отношение заряда к массе этих частиц e/m = 6.7·10 17 ед. СГСЭ/г (современное значение 5.27·10 17 ед. СГСЭ/г). Он показал, что катодные лучи представляют собой поток более лёгких, чем атомы, частиц и не зависят от состава газа. Эти частицы были названы электронами. Открытие электрона и установление того факта, что все атомы содержат электроны, явилось важной информацией о внутреннем строении атома.

Электрон. Образование и строение электрона. Магнитный монополь электрона.

(продолжение)

Часть 4. Строение электрона.

4.1. Электрон является двухкомпонентной частицей, которая состоит только из двух сверхуплотнённых (сгущенных, сконцентрированных) полей - электрического поля-минус и магнитного поля-N. При этом:

а) плотность электрона - максимально возможная в Природе;

б) размеры электрона (D = 10 -17 см и менее) - минимальные в Природе;

в) в соответствии с требованием минимизации энергии, все частицы - электроны, позитроны, частицы с дробным зарядом, протоны, нейтроны и пр. обязаны иметь (и имеют) сферическую форму;

г) по неизвестным пока причинам, независимо от величины энергии «родительского» фотона, абсолютно все электроны (и позитроны) рождаются абсолютно идентичными по своим параметрам (например - масса абсолютно всех электронов и позитронов составляет 0,511МэВ).

4.2. «Достоверно установлено, что магнитное поле электрона является таким же неотъемлемым свойством, как его масса и заряд. Магнитные поля у всех электронов одинаковы, как одинаковы их массы и заряды».(с) Это автоматически позволяет сделать однозначный вывод об эквивалентности массы и заряда электрона, то есть: масса электрона является эквивалентом заряда, и наоборот - заряд электрона является эквивалентом массы (для позитрона - аналогично).

4.3. Указанное свойство эквивалентности распространяется также и на частицы с дробными зарядами (+2/3) и (-1/3), которые являются основой кварков. То есть: масса позитрона, электрона и всех дробных частиц является эквивалентом их заряда, и наоборот - заряды этих частиц являются эквивалентом массы. Поэтому удельный заряд электрона, позитрона и всех дробных частиц одинаковый (const) и равен1,76*10 11 Кл/кг.

4.4. Поскольку элементарный квант энергии автоматически является элементарным квантом массы, то масса электрона (с учётом наличия дробных частиц 1/3 и 2/3) должна иметь значения, кратные массам трех отрицательных полуквантов. (См. также «Фотон. Строение фотона. Принцип перемещения. пункт 3.4.)

4.5. Определить внутреннее строение электрона весьма затруднительно по многим причинам, тем не менее, представляет значительный интерес хотя бы в первом приближении рассмотреть влияние двух компонент (электрической и магнитной) на внутреннее строение электрона. См. рис. 7.

Рис.7. Внутреннее строение электрона, варианты:

Вариант №1. Каждая пара лепестков отрицательного полукванта образует «микроэлектроны», которые затем формируют электрон. При этом количество «микроэлектронов» должно быть кратным трём.

Вариант №2. Электрон является двухкомпонентной частицей, которая состоит из двух состыкованных самостоятельных полусферических монополей - электрического(-) и магнитного(N).

Вариант №3. Электрон является двухкомпонентной частицей, которая состоит из двух монополей - электрического и магнитного. При этом магнитный монополь сферической формы расположен в центре электрона.

Вариант №4. Другие варианты.

По-видимому, может быть рассмотрен вариант когда электрические (-) и магнитные поля (N) могут существовать внутри электрона не только в виде компактных монополей, но и в виде однородной субстанции, то есть образуют практически бесструктурную? кристаллическую? гомогенную? частицу. Однако это весьма сомнительно.

4.6. Каждый из предложенных на рассмотрение вариантов имеет свои достоинства и недостатки, например:

а) Варианты №1. Электроны такой конструкции дают возможность спокойно образовывать дробные частицы с массой и зарядом кратным 1/3, но в то же время делают затруднительным объяснение собственного магнитного поля электрона.

б) Вариант №2. Этот электрон при движении вокруг ядра атома постоянно ориентирован на ядро своим электрическим монополем и поэтому может иметь только два варианта вращения вокруг своей оси - по часовой стрелке или против (запрет Паули?) и т.д.

4.7. При рассмотрении указанных (или вновь предложенных) вариантов в обязательном порядке необходимо учитывать реально существующие свойства и характеристики электрона, а также учитывать ряд обязательных требований, например:

Наличие электрического поля (заряда);

Наличие магнитного поля;

Эквивалентность некоторых параметров, например: масса электрона эквивалентна его заряду и наоборот;

Возможность образовывать дробные частицы массой и зарядом кратным 1/3;

Наличие набора квантовых чисел, спина и др.

4.8. Электрон появился как двухкомпонентная частица, у которой одна половина (1/2) является уплотнённым электрическим полем-минус (электрическим монополем-минус), а вторая половина (1/2) является уплотнённым магнитным полем (магнитным монополем-N). Однако при этом следует иметь в виду, что:

Электрические и магнитные поля при определённых условиях могут порождать друг друга (превращаться друг в друга);

Электрон не может быть однокомпонентной частицей и состоять на 100% из поля-минус, поскольку однозарядное поле-минус будет распадаться из-за сил отталкивания. Именно поэтому внутри электрона необходимо наличие магнитной компоненты.

4.9. К сожалению, провести полный анализ всех достоинств и недостатков предложенных вариантов и выбрать единственно правильный вариант внутреннего строения электрона в данной работе не представляется возможным.

Часть 5. «Волновые свойства электрона».

5.1. «К концу 1924г. точка зрения, согласно которой электромагнитное излучение ведет себя отчасти подобно волнам, а отчасти подобно частицам, стала общепринятой...И именно в это время француза Луи де Бройля, который в то время был аспирантом, осенила гениальная мысль: почему то же самое не может быть для вещества? Луи де Бройль проделал по отношению к частицам работу, обратную той, которую Эйнштейн провел для волн света. Эйнштейн связал электромагнитные волны с частицами света; де Бройль связал движение частиц с распространением волн, которые он назвал волнами материи. Гипотеза де Бройля основывалась на сходстве уравнений, описывающих поведение лучей света и частиц вещества, и носила исключительно теоретический характер. Для ее подтверждения или опровержения требовались экспериментальные факты».(с)

5.2. «В 1927 году американские физики К.Дэвиссон и К.Джермер обнаружили, что при «отражении» электронов от поверхности кристалла никеля при определённых углах отражения возникают максимумы. Аналогичные данные (возникновение максимумов) уже имелись по наблюдению дифракции рентгеновских волн лучей на кристаллических структурах. Поэтому появление этих максимумов у отражённых пучков электронов не могло быть объяснено никаким другим путём, кроме как на основе представлений о волнах и их дифракции.Таким образом, волновые свойства частиц — электронов (и гипотеза де Бройля) были доказаны экспериментом».(с)

5.3. Однако рассмотрение изложенного в данной работе процесса появления корпускулярных свойств у фотона (см. рис.5.) позволяет сделать вполне однозначные выводы:

а) по мере уменьшения длины волны с 10 -4 до 10 -10 {C}{C}{C}{C}{C}см электрические и магнитные поля фотона уплотняются

{C}{C}{C}{C}{C}{C}{C}{C}{C}{C}б) при уплотнении электрического и магнитного полей у «линии раздела» начинается стремительное увеличение «плотности» полей и уже в рентгеновском диапазоне плотность полей соизмерима с плотностью «обычной» частицы.

в) поэтому рентгеновский фотон при взаимодействии с препятствием уже не отражается от препятствия как волна, а начинает отскакивать от него как частица.

5.4. То есть:

а) уже в диапазоне мягкого рентгена электромагнитные поля фотонов настолько уплотнились, что обнаружить у них волновые свойства весьма затруднительно. Цитата: «Чем меньше длина волны фотона, тем труднее обнаружить у него свойства волны и тем сильнее у него проявляются свойства частицы».

б) в жестком рентгеновском и гамма-диапазоне фотоны ведут себя как стопроцентные частицы, и обнаружить у них волновые свойства уже практически невозможно. То есть: рентгеновский и гамма-фотон полностью теряет свойства волны и превращается в стопроцентную частицу. Цитата: «Энергия квантов в рентгеновском и гамма-диапазоне настолько велика, что излучение ведёт себя почти стопроцентно как поток частиц» (с).

в) поэтому в опытах по рассеиванию рентгеновского фотона от поверхности кристалла наблюдалась уже не волна, а обыкновенная частица, которая отскакивала от поверхности кристалла и повторяла строение кристаллической решётки.

5.5. До опытов К.Дэвиссона и К.Джермера уже имелись экспериментальные данные по наблюдению дифракции рентгеновских волн лучей на кристаллических структурах. Поэтому получив схожие результаты в опытах при рассеивании электронов на кристалле никеля, они автоматически приписали электрону волновые свойства. Однако электрон это «твердая» частица, которая имеет реальную массу покоя, габариты и пр. Не электрон-частица ведет себя как фотон-волна, а рентгеновский фотон имеет (и проявляет) все свойства частицы. Не электрон отражается от препятствия как фотон, а рентгеновский фотон отражается от препятствия как частица.

5.6. Поэтому: никаких «волновых свойств» у электрона (и других частиц) не было, нет и быть не может. И не существует никаких предпосылок и тем более возможностей для изменения данной ситуации.

Часть 6. Выводы.

6.1.Электрон и позитрон являются первыми и основообразующими частицами, наличие которых определило появление кварков, протонов, водорода и всех остальных элементов таблицы Менделеева.

6.2. Исторически, одну частицу назвали электроном и присвоили ей знак минус (материя), а другую назвали позитроном и присвоили ей знак плюс (антиматерия). «Электрический заряд электрона условились считать отрицательным в соответствии с более ранним соглашением называть отрицательным заряд наэлектризованного янтаря» (с).

6.3. Электрон может появиться (появиться = родится) только в паре с позитроном (электрон позитронная пара). Появление в Природе хотя бы одного «непарного» (одиночного) электрона или позитрона является нарушением закона сохранения заряда, общей электронейтральности материи и технически невозможно.

6.4. Образование электрон-позитронной пары в кулоновском поле заряженной частицы происходит после разделения элементарных квантов фотона в продольном направлении на две составляющие части: отрицательную - из которой формируется частица-минус (электрон) и положительную - из которой формируется частица-плюс (позитрон). Разделение электронейтрального фотона в продольном направлении на две абсолютно равные по массе, но разные по зарядам (и магнитным полям) части - это естественное свойство фотона, вытекающее из законов сохранения заряда и др. Наличие «внутри» электрона даже ничтожных количеств «частичек-плюс», а «внутри» позитрона - «частичек-минус» - исключается. Также исключается наличие внутри электрона и протона электронейтральных «частичек» (обрезков, кусочков, обрывков и т.д.) материнского фотона.

6.5. По неизвестным причинам абсолютно все электроны и позитроны рождаются эталонными «максимально-минимальными» частицами (т.е. они не могут быть больше и не может быть меньше по массе, заряду, габаритам и другим характеристикам). Образование из электромагнитных фотонов каких-либо более мелких или более крупных частиц-плюс (позитронов) и частиц-минус (электронов) - исключается.

6.6. Внутреннее строение электрона однозначно предопределено последовательностью его появления: электрон формируется как двухкомпонентная частица, которая на 50% является уплотнённым электрическим полем-минус (электрическим монополем-минус), и на 50% - уплотнённым магнитным полем (магнитным монополем- N). Эти два монополя могут рассматриваться как разнозарядные частицы, между которыми возникают силы взаимного притяжения (сцепления).

6.7. Магнитные монополи существуют, но не в свободном виде, а только как составные части электрона и позитрона. При этом магнитный монополь-(N) является неотъемлемой частью электрона, а магнитный монополь-(S) является неотъемлемой частью позитрона. Наличие магнитной составляющей «внутри» электрона обязательно, поскольку только магнитный монополь-(N) может образовать с однозарядным электрическим монополем-минус прочнейшую (и невиданную по силе) связь.

6.8. Электроны и позитроны обладают наибольшей стабильностью и являются частицами, распад которыхтеоретически и практически невозможен. Они являются неделимыми (по заряду и массе), то есть: самопроизвольное (или принудительное) разделение электрона или позитрона на несколько калиброванных или «разнокалиберных» частей - исключается.

6.9. Электрон вечен и он не может «исчезнуть» до тех пор, пока не встретится с другой частицей, имеющей равные по величине, но противоположные по знаку электрический и магнитный заряды (позитрон).

6.10. Поскольку из электромагнитных волн могут появиться только две эталонные (калиброванные) частицы: электрон и позитрон, то на их основе могут появиться только эталонные кварки, протоны и нейтроны. Поэтому вся видимая (барионная) материя нашей и всех других вселенных состоит из одинаковых химических элементов (таблица Менделеева) и везде действуют единые физические константы и фундаментальные законы, аналогичные «нашим» законам. Появление в любой точке бесконечного пространства «других» элементарных частиц и «других» химических элементов - исключается.

6.11. Вся видимая материя нашей Вселенной образовалась из фотонов (предположительно СВЧ-диапазона) по единственно возможной схеме: фотон → электрон-позитронная пара → дробные частицы → кварки, глюон → протон (водород). Поэтому вся «твёрдая» материя нашей Вселенной (включая Homo sapiens’ов) является уплотнёнными электрическими и магнитными полями фотонов. Других «материй» для её образования в Космосе не было, нет и быть не может.

P.S. Электрон неисчерпаем?

Недавно физики лишили электрон заслуженного звания элементарной частицы. Дело в том, что уже давно ученые предполагали, что в особых ситуациях электрон может распадаться на три составляющих — холон, спинон и орбитон. Возможность раздельного существования холона и спинона была доказана шесть лет назад. А нынче ученым удалось "отделить" орбитон.

Еще в позапрошлом веке многие ученые испытали шок — атом, который прежде представлялся единым и неделимым (собственно, говоря, само слово "атом" переводится с греческого как "неделимый"), вдруг оказался составным, то есть состоящим из более мелких частиц. Их ученые на всякий случай назвали элементарными — такое название подразумевало, что они-то уж точно неделимы. Однако счастье длилось, увы, недолго — в ХХ веке большинство обнаруженных прежде частиц стали терять гордое звание "элементарные".

Началось все с протона и нейтрона — частиц, что составляют атомное ядро. Было доказано, что они состоят из более мелких частиц, которые называются кварки. Получается, что раз они составные, то значит все же не элементарные. А вот электрону повезло больше — он носил это гордое имя дольше, чем любая атомная частица. Но, в конце концов, и он был вынужден покинуть ряды элементарных частиц.

Дело в том, что еще примерно полвека назад физики предсказали возможность разделения электрона на три квазичастицы (о том, что это такое, читайте в статье " ") — холон, спинон и орбитон. Причем первая из них будет переносить заряд электрона, другая — его спин (момент импульса), а третья вообще является квантом орбитальной волны электрона, то есть переносит его орбитальное взаимодействие с другими электронами и ядром. Правда, проявляются эти три квазичастицы не всегда, когда электрон того пожелает, а лишь в особых условиях. Например, в пределах одномерных цепочек атомов, стоящих очень близко друг к другу (такое часто бывает в углеродных нанотрубках).

Сразу хочу заметить, что электрон вовсе не распадается на эти частицы так, как протон или нейтрон на кварки. То есть даже в нанотрубках не происходит такого, что при взаимодействии с близко расположенными электронами других атомов, какой-то конкретный электрон (для удобства представим его как шарик) вдруг развалился на три более мелких шарика. Причем один из них сохранил заряд электрона, другой вертится вокруг своей оси так же, как электрон (сохранил спин), а третий движется по той же орбите, что и электрон (сохранил орбитальные взаимодействия).

На самом деле электрон, конечно же, ни на какие частицы не разваливается. Просто при сближении друг с другом в пределах одномерной цепочки электроны соседних атомов начинают взаимодействовать друг с другом особым образом. И это взаимодействие можно описать не исходя из свойств самих электронов, а представив себе, что их осуществляют три гипотетические частицы — те самые холон, спинон и орбитон. В частности, уже давно было экспериментально показано, что в таких взаимодействиях изменения заряда не связаны с изменением спина.

Но как такое возможно? Представьте себе, что атомы стоят настолько плотно, что электроны образовали так называемый вигнеровский кристалл — то есть компактную упорядоченную структуру вроде кристаллической решетки. При этом в узлах данной решетки возникнут коллективные колебания электронов (как это происходит с узловыми частицами любого кристалла). Но данные колебания обязательно будут сопровождаться переносом заряда. В этом случае можно говорить о возникновении квазичастицы холона.

В то же время электроны в цепочке обладают спином, и, соответственно, между ними существует некоторое спин-спиновое взаимодействие. А поскольку все электроны стоят вплотную друг к другу, логично предположить, что если мы перевернем один из спинов, то по цепочке побежит спиновое возмущение. И оно вовсе не будет сопровождаться переносом заряда. В данном случае мы имеем дело с другой квазичастицей — спиноном.

То, о чем мы сейчас беседовали, представляет собой мысленный эксперимент, проведенный физиками еще в 90-х годах прошлого века. А вот добиться возникновения спинона и холона в реальности удалось не так давно — в 2006 году. Тогда группа ученых во главе с Ким Чанюном из университета Енсей в Сеуле (Республика Корея), Эли Ротенберг и Шень Чжи Сюнем из Стэнфордского университета сообщила об обнаружении четких спектральных сигналов спинонов и холонов в одномерных образцах SrCuO2. Следует заметить, что это вещество весьма своеобразно — по своим свойствам оно скорее металл, но при этом данный материал не проводит электричество из-за постоянного электрон-электронного взаимодействия. Так что разделить спинон и холон решили именно там.

Используемая физиками методика фотоэмиссионной спектроскопии с угловым разрешением ARPES состояла в том, что образец облучался рентгеновскими лучами, вызывающими эмиссию электронов (что также известно как фотоэффект). Измерение кинетической энергии испускаемых электронов и углов, под которыми они вылетают, позволяет вычислить их скорость и степень рассеяния. Это в свою очередь дает детальную картину энергетического спектра электрона.

А поскольку известно, что удаление электрона приводит к образованию положительно заряженной "дырки", которая несет информацию как о спине, так и о заряде, то следует фиксировать именно ее образование. Это самое образование "дырки" проявляется в виде одного пика спектра ARPES. Если происходит разделение заряда и спина, "дырка" распадается на спинон и холон, и в спектре ARPES появляются два пика. Именно эти два пика и зафиксировали ученые. Таким образом возможность независимого существования спинона и холона была доказана.

Недавно же другая группа физиков из Германии, Швейцарии, Франции и Нидерландов под руководством госпожи Джастин Шлаппа смогла "отделить" орбитон. "Подопытным кроликом" выступил все тот же SrCuO2. А вот методика была уже другая — так называемое неупругое рассеяние частиц (RIXS). Она заключалась в том, что образец бомбардировали быстрыми частицами. Это приводило электроны в возбужденное состояние и одновременно исследователи могли отмечать расположение и конфигурацию их спинов.

Измерив же спины и орбитальные угловые моменты (он характеризует движение частицы по орбитали вокруг ядра) электронов, исследователи поняли, что орбитон и спинон существуют одновременно. Дело в том, что изменение спина и орбитального углового момента не совпадали — а это значит, что спинон и орбитон передвигаются вдоль Sr2CuO3 с разной скоростью. То есть это отдельные квазичастицы.

Можно сравнить с облачком. Это связано с тем, что электроны обладают свойствами не только частиц, «кусочков» материи, но и свойствами . Электронные облачка слоями окружают ядро и расположены на строго определённых от него расстояниях. Учёные долго не могли объяснить, почему промежутки между ядром и электронами так строго определены и почему вообще каждый атом со всеми его электронными оболочками имеет всегда одни и те же размеры. Ответ на эту загадку тоже связан, как выяснилось, с волновыми свойствами электронов, с тем, что все части атома имеют свои постоянные места.

Но не думай, что электроны навечно закреплены на этих местах. Нет, они могут перескакивать с одной оболочки на другую. При этом происходят удивительные вещи.

Если электрон удаляется от ядра, его возрастает, если приближается- убывает. Это изменение энергии происходит не постепенно, а внезапно, скачком. Энергия прибавляется или убавляется совершенно определёнными порциями, которые называются квантами. Значит, перескакивая ближе к ядру, электрон выделяет один квант энергии, а чтобы уйти дальше от ядра, он должен, наоборот, получить откуда-то, «поглотить» один квант.

Что же это за кванты? Если ты уже читал рассказ « », то, вероятно, обратил внимание, что свет - это одновременно и волны, и частицы, которые носят название фотонов. Вот фотоны - это и есть кванты света, то есть наименьшие порции излучения.

Теперь тебе, должно быть, стало понятнее то, о чём коротко упомянуто в рассказе о свете, понятнее, как происходит излучение и поглощение света. Перескакивая ближе к ядру, электроны излучают свет. А когда вещество поглощает свет, они перескакивают на орбиты дальше от ядра. При этом электроны обогащаются энергией, и вещество нагревается. Чем энергичнее электроны движутся, тем чаще совершают скачки, тем выше температура тела. Вот почему, поглощая много света, вещество нагревается сильнее.

У каждого вещества своё расстояние между электронными оболочками и, значит, своя величина квантов, своя длина излучаемых световых волн, то есть свой цвет световых волн. И поэтому же каждое вещество лучше всего поглощает какие-то определённые лучи: одно - красные, другое - зелёные, а третье - невидимые ультрафиолетовые.

Электроны не только перескакивают с орбиты на орбиту, иногда они совсем отрываются от атома. Например, в металле все атомы отдают часть своих электронов «в общий котёл». Эти свободные электроны движутся между атомами, переносят и электрический ток.

Наконец, электроны порой вообще покидают своё вещество, тогда они могут лететь в пространстве с огромной скоростью. И тут опять проявляется сложная, противоречивая природа электрона.

Экран телевизора светится потому, что изнутри на него направлен электронный луч. Этот луч можно опускать и поднимать, сдвигать вправо или влево. Электроны при этом ведут себя как частицы, которые послушно летят точно туда, куда их посылают.

Такой же поток электронов будет двигаться совсем иначе, если его направить внутрь вещества. Пролетая между атомами или приближаясь к ним, этот поток может огибать препятствия, как волны на воде. Электрон, как всегда, непостоянен: то он похож на частицу, то на волну. Это зависит от размеров предметов, среди которых он движется. Телевизионная трубка относительно велика- там электрон - частица. Расстояние между атомами вещества несравнимо меньше - там электрон скорее волна.

Чтобы получить поток электронов, надо, например, нагреть вещество, как нагревают катод электронной лампы (об этом говорится в рассказах «Радио» и « »). Это значит, что надо затратить энергию. И от атома оторвать электрон часто совсем непросто, для этого нужна энергия - ведь электроны довольно прочно удерживаются в атоме.

Ты можешь спросить: а что держит их в атоме? Почему они не улетают прочь? Напомним: и электроны, и ядро имеют электрические заряды, и притом не одинаковые, а разные: ядро заряжено положительно, а электроны - отрицательно. Такие разноимённые, как их называют, заряды притягивают друг друга.

Электрон - это как бы единица отрицательного электричества, он имеет самый маленький из всех возможных отрицательных зарядов. Если ты прочтёшь рассказ « », увидишь, какую пользу приносит людям это свойство электрона, и узнаешь, как родилось его имя.

Содержание статьи

ЭЛЕКТРОН, элементарная частица с отрицательным электрическим зарядом, входящая в состав всех атомов, а следовательно, и любого обычного вещества. Это – самая легкая из электрически заряженных частиц. Электроны участвуют почти во всех электрических явлениях. В металле часть электронов не связана с атомами и может свободно перемещаться, благодаря чему металлы хорошо проводят электричество. В плазме, т.е. ионизованном газе, положительно заряженные атомы также перемещаются свободно, но, имея гораздо большую массу, движутся значительно медленнее электронов, а потому вносят меньший вклад в электрический ток. Благодаря малой массе электрон оказался частицей, наиболее вовлеченной в развитие квантовой механики, частной теории относительности и их объединение – релятивистскую квантовую теорию поля. Считается, что в настоящее время полностью известны уравнения, описывающие поведение электронов во всех реально осуществимых физических условиях. (Правда, решение этих уравнений для систем, содержащих большое число электронов, таких, как твердое тело и конденсированная среда, все еще сопряжено с трудностями.)

Все электроны тождественны и подчиняются статистике Ферми – Дирака . Это обстоятельство выражается в принципе Паули, согласно которому два электрона не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии. Одно из следствий принципа Паули заключается в том, что состояния наиболее слабо связанных электронов – валентных электронов, определяющих химические свойства атомов, – зависят от атомного номера (зарядового числа), который равен числу электронов в атоме. Атомный номер равен также заряду ядра, выраженному в единицах заряда протона е . Другое следствие состоит в том, что электронные «облака», окутывающие ядра атомов, сопротивляются их перекрытию, вследствие чего обычное вещество обладает свойством занимать определенное пространство. Как и полагается элементарной частице, число основных характеристик электрона невелико, а именно масса (m e » 0,51 МэВ » 0,91Ч 10 –27 г), заряд (- e » - 1,6Ч 10 –19 Кл) и спин (1 / 2 ћ » 1/ 2 Ч 0,66Ч 10 –33 ДжЧ с, где – постоянная Планка h , деленная на 2p ). Через них выражаются все остальные характеристики электрона, например магнитный момент (» 1,001m 3 » 1,001Ч 0,93Ч 10 –23 Дж/Тл), за исключением еще двух констант, характеризующих слабое взаимодействие электронов (см . ниже ).

Первые указания на то, что электричество не является непрерывным потоком, а переносится дискретными порциями, были получены в опытах по электролизу. Результатом явился один из законов Фарадея (1833): заряд каждого иона равен целому кратному заряда электрона, называемого ныне элементарным зарядом е . Наименование «электрон» вначале относилось к этому элементарному заряду. Электрон же в современном смысле слова был открыт Дж.Томсоном в 1897. Тогда было уже известно, что при электрическом разряде в разреженном газе возникают «катодные лучи», несущие отрицательный электрический заряд и идущие от катода (отрицательно заряженного электрода) к аноду (положительно заряженному электроду). Исследуя влияние электрического и магнитного полей на пучок катодных лучей, Томсон пришел к выводу: если предположить, что пучок состоит из частиц, заряд которых не превышает элементарного заряда ионов е , то масса таких частиц будет в тысячи раз меньше массы атома. (Действительно, масса электрона составляет примерно 1/1837 массы легчайшего атома, водорода.) Незадолго до этого Х.Лоренц и П.Зееман уже получили доказательства того, что электроны входят в состав атомов: исследования воздействия магнитного поля на атомные спектры (эффект Зеемана) показали, что у заряженных частиц в атоме, благодаря наличию которых свет взаимодействует с атомом, отношение заряда к массе такое же, как и установленное Томсоном для частиц катодных лучей.

Первая попытка описать поведение электрона в атоме связана с моделью атома Бора (1913). Представление о волновой природе электрона, выдвинутое Л.де Бройлем (1924) (и подтвержденное экспериментально К.Дэвиссоном и Л.Джермером в 1927), послужило основой волновой механики, разработанной Э.Шрёдингером в 1926. Одновременно на основании анализа атомных спектров С.Гаудсмитом и Дж.Уленбеком (1925) был сделан вывод о наличии у электрона спина. Строгое волновое уравнение для электрона было получено П.Дираком (1928). Уравнение Дирака согласуется с частной теорией относительности и адекватно описывает спин и магнитный момент электрона (без учета радиационных поправок).

Из уравнения Дирака вытекало существование еще одной частицы – положительного электрона, или позитрона, с такими же значениями массы и спина, как у электрона, но с противоположным знаком электрического заряда и магнитного момента. Формально уравнение Дирака допускает существование электрона с полной энергией либо і mс 2 (mс 2 – энергия покоя электрона), либо Ј – mс 2 ; отсутствие радиационных переходов электронов в состояния с отрицательными энергиями можно было объяснить, предположив, что эти состояния уже заняты электронами, так что, согласно принципу Паули, для дополнительных электронов нет места. Если из этого дираковского «моря» электронов с отрицательными энергиями удалить один электрон, то возникшая электронная «дырка» будет вести себя как положительно заряженный электрон. Позитрон был обнаружен в космических лучах К.Андерсоном (1932).

По современной терминологии электрон и позитрон являются античастицами по отношению друг к другу. Согласно релятивистской квантовой механике, для частиц любого вида существуют соответствующие античастицы (античастица электрически нейтральной частицы может совпадать с ней). Отдельно взятый позитрон столь же стабилен, как и электрон, время жизни которого бесконечно, поскольку не существует более легких частиц с зарядом электрона. Однако в обычном веществе позитрон рано или поздно соединяется с электроном. (Вначале электрон и позитрон могут на короткое время образовать «атом», так называемый позитроний, сходный с атомом водорода, в котором роль протона выполняет позитрон.) Такой процесс соединения называется электрон-позитронной аннигиляцией; в нем полная энергия, импульс и момент импульса сохраняются, а электрон и позитрон превращаются в гамма-кванты, или фотоны, – обычно их два. (С точки зрения «моря» электронов данный процесс представляет собой радиационный переход электрона в так называемую дырку – незанятое состояние с отрицательной энергией.) Если скорости электрона и позитрона не очень велики, то энергия каждого из двух гамма-квантов приблизительно равна mс 2 . Это характеристическое излучение аннигиляции позволяет обнаруживать позитроны. Наблюдалось, например, такое излучение, исходящее из центра нашей Галактики. Обратный процесс превращения электромагнитной энергии в электрон и позитрон называется рождением электрон-позитронной пары. Обычно гамма-квант с высокой энергией «конвертируется» в такую пару, пролетая вблизи атомного ядра (электрическое поле ядра необходимо, поскольку при превращении отдельно взятого фотона в электрон-позитронную пару были бы нарушены законы сохранения энергии и импульса). Еще один пример – распад первого возбужденного состояния ядра 16 О, изотопа кислорода.

Испусканием электронов сопровождается один из видов радиоактивности ядер. Это бета-распад – процесс, обусловленный слабым взаимодействием, при котором нейтрон в исходном ядре превращается в протон. Наименование распада происходит от названия «бета-лучи», исторически присвоенного одному из видов радиоактивных излучений, которое, как потом выяснилось, представляет собой быстрые электроны. Энергия электронов этого излучения не имеет фиксированного значения, поскольку (в соответствии с гипотезой, выдвинутой Э.Ферми) при бета-распаде вылетает еще одна частица – нейтрино, уносящая часть энергии, выделяющейся при ядерном превращении. Основной процесс таков:

Нейтрон ® протон + электрон + антинейтрино.

Испускаемый электрон не содержится в нейтроне; появление электрона и антинейтрино представляет собой «рождение пары» из энергии и электрического заряда, освобождающихся при ядерном превращении. Существует также бета-распад с испусканием позитронов, при котором находящийся в ядре протон превращается в нейтрон. Подобные превращения могут также происходить в результате поглощения электрона; соответствующий процесс называется К -захватом. Электроны и позитроны испускаются при бета-распаде и других частиц, например мюонов.

Роль в науке и технике.

Быстрые электроны широко применяются в современной науке и технике. Они используются для получения электромагнитного излучения, например рентгеновского, возникающего в результате взаимодействия быстрых электронов с веществом, и для генерации синхротронного излучения, возникающего при их движении в сильном магнитном поле. Ускоренные электроны применяют и непосредственно, например в электронном микроскопе, или при более высоких энергиях – для зондирования ядер. (В таких исследованиях была обнаружена кварковая структура ядерных частиц.) Электроны и позитроны сверхвысоких энергий используются в электрон-позитронных накопительных кольцах – установках, аналогичных ускорителям элементарных частиц. За счет их аннигиляции накопительные кольца позволяют с высокой эффективностью получать элементарные частицы с очень большой массой.