Лекция
Привет, Вы узнаете о том , что такое электрон, Разберем основные их виды и особенности использования. Еще будет много подробных примеров и описаний. Для того чтобы лучше понимать что такое электрон, безэлектронная теория поля , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Атомная и Ядерная физика.
Электро́н (от др.-греч. ἤλεκτρον «янтарь» ) — стабильная отрицательно заряженная элементарная частица. Считается фундаментальной (не имеющей, насколько это известно, составных частей) и является одной из основных структурных единиц вещества. Классифицируется как фермион (обладает спином, равным ½) и как лептон. Единственный (наравне со своей античастицей — позитроном) из известных заряженных лептонов, являющийся стабильным. электрон ы образуют электронные оболочки атомов, строение которых определяет большинство оптических, электрических, магнитных, механических, химических свойств вещества . Движение электронов обусловливает протекание электрического тока во многих проводниках (в частности, в металлах). В рациональной системе единиц комптоновская длина волны электрона является единицей длины, а масса электрона — единицей массы.
| Вероятностная картина местоположения единственного электрона в атоме на s-орбитали | |
| Состав | фундаментальная частица |
|---|---|
| Семья | Фермион |
| Группа | Лептон |
| Участвует во взаимодействиях | гравитационное , слабое и электромагнитное |
| Античастица | Позитрон |
| Масса |
9,1093837015(28)⋅10−31 кг , |
| Время жизни | ∞ (не менее 6,6⋅1028 лет ) |
| Квантовые числа | |
| Электрический заряд | −1,602176634⋅10−19 Кл |
| Барионное число | 0 |
| Лептонное число | +1 |
| Спин | 1/2 ħ |
| Магнитный момент | −9,2847647043(28)⋅10−24 Дж/Тл |
| Внутренняя четность | +1 |
| Изотопический спин | 0 |
Заряд электрона был непосредственно измерен в экспериментах А. Ф. Иоффе (1913) и Р. Милликена (1911). Настоящее значение заряда электрона определятся точно как −1,602176634⋅10−19 Кл , или −4,803204712570263⋅10−10 ед. заряда СГСЭ (точно) в системе СГСЭ, или −1,602176634⋅10−20 ед. СГСМ (точно) в системе СГСМ. В 2019 году основные единицы СИ были привязаны к фундаментальным константам; в частности, кулон привязан к элементарному электрическому заряду, поэтому численное значение заряда электрона по определению имеет абсолютную точность и указывается без погрешности . Заряд электрона, взятый по абсолютной величине, служит единицей измерения электрического заряда других элементарных частиц.
кг — масса электрона.
Кл — заряд электрона.
Кл/кг — удельный заряд электрона.
— спин электрона в единицах 
В отличие от большинства других известных науке частиц, электрон стабилен (более точно, в пределах чувствительности эксперимента его время жизни не менее 6,6⋅1028 лет с 90%-й доверительной вероятностью ). Распад свободного электрона на нейтрино и фотоны запрещен законом сохранения электрического заряда, а распаду на другие элементарные частицы препятствует закон сохранения энергии.
Современная наука рассматривает электрон как фундаментальную элементарную частицу, не обладающую внутренней структурой и размерами .
Как и любая заряженная частица со спином, электрон обладает магнитным моментом, причем магнитный момент делится на нормальную часть и аномальный магнитный момент (добавка примерно 0,116 %). Магнитный момент электрона μe = -9,2847647043(28)⋅10−24 Дж/Тл . За эксперименты по сверхточному определению магнитного момента электрона Г. Демельту и В. Паулю была присуждена Нобелевская премия по физике 1989 года. Измерения магнитного момента электрона с точностью до 13 знаков после запятой [10] показали, что размеры электрона не превышают 10−20 см [10]. Проведенные ранее эксперименты по столкновению электронов высоких энергий давали значительно более грубое ограничение на размеры электрона: 10−17 см[11].
Внутренняя четность электрона равна +1[12]. Электрон участвует в слабом, электромагнитном и гравитационном взаимодействиях. Примерами участия электрона в слабых взаимодействиях являются бета-распад и электронный захват. Он принадлежит к группе лептонов и является (вместе со своей античастицей, позитроном) легчайшим из заряженных лептонов и легчайшей элементарной частицей, имеющей электрический заряд. До открытия массы нейтрино электрон считался наиболее легкой из массивных частиц — его масса примерно в 1836 раз меньше массы протона. Спин электрона равен 1⁄2, и, таким образом, электрон относится к фермионам.
Иногда к электронам относят как собственно электроны, так и позитроны (например, рассматривая их как общее электрон-позитронное поле, решение уравнения Дирака), особенно в тех задачах, когда их общие свойства более существенны, чем различия. При таком выборе терминов отрицательно заряженный электрон называют[13] негатроном[14], положительно заряженный — позитроном.
Находясь в периодическом потенциале кристалла, электрон рассматривается как квазичастица, эффективная масса которой может значительно отличаться от массы электрона в вакууме.
Свободный электрон не может поглотить фотон, хотя и может рассеять его (см. эффект Комптона).
Благодаря своей малой массе электроны вследствие туннельного эффекта с легкостью проникают через потенциальные барьеры высотой в несколько электрон-вольт и толщиной примерно до десятка атомных диаметров. Явлением туннельного эффекта для электронов объясняется то, что электрический ток может протекать между металлическим электродом и ионами раствора или между двумя металлами, находящимися в контакте, несмотря на то, что поверхность металла обычно покрыта слоями окисла или загрязнена[15].
Отношение электрического заряда к массе для электрона во много раз превышает аналогичное отношение для любой другой элементарной частицы или системы частиц. Электроны можно получать из твердых тел относительно легко по сравнению с любыми другими частицами. Эти два обстоятельства лежат в основе многочисленных применений электронов в электровакуумных приборах[16].
Название «электрон» происходит от греческого слова ἤλεκτρον, означающего «янтарь»: еще в древней Греции естествоиспытателями проводились эксперименты — куски янтаря терли шерстью, после чего те начинали притягивать к себе мелкие предметы. Термин «электрон» как название фундаментальной неделимой единицы заряда в электрохимии был предложен[17] Дж. Дж. Стоуни в 1894 году (сама единица была введена им в 1874 году). Открытие электрона как частицы принадлежит Э. Вихерту[18][19] и Дж. Дж. Томсону, которые в 1897 году установили, что отношение заряда к массе для катодных лучей не зависит от материала источника.
Согласно гипотезе де Бройля (1924), электрон (как и все другие материальные микрообъекты) обладает не только корпускулярными, но и волновыми свойствами. Де-бройлевская длина волны электрона равна 
, где 
— постоянная Планка, 
— импульс электрона. В нерелятивистском случае 
она равна 
, где 
— скорость движения электрона, 
— масса электрона. В ультрарелятивистском случае 
она равна 
, где {\displaystyle c}
— скорость света, 
— энергия электрона.
В соответствии с этим электроны, подобно свету, могут испытывать интерференцию и дифракцию. Волновые свойства электронов были экспериментально обнаружены в 1927 году американскими физиками К. Дэвиссоном и Л. Джермером (Опыт Дэвиссона — Джермера) и независимо английским физиком Дж. П. Томсоном[20][21].
Открытие электрона и возможностей его применения в разнообразных технических устройствах привело к возникновению большого числа новых понятий современной физики[22].
В большинстве источников низкоэнергетичных электронов используются явления термоэлектронной эмиссии и фотоэлектронной эмиссии. Высокоэнергетичные, с энергией от нескольких кэВ до нескольких МэВ, электроны излучаются в процессах бета-распада и внутренней конверсии радиоактивных ядер. Электроны, излучаемые в бета-распаде, иногда называют бета-частицами или бета-лучами. Источниками электронов с более высокой энергией служат ускорители.
Движение электронов в металлах и полупроводниках позволяет легко переносить энергию и управлять ею. Это явление (электрический ток) является одной из основ современной цивилизации и используется практически повсеместно в промышленности, связи, информатике, электронике, в быту. Скорость дрейфа электронов в проводниках крайне мала (~0,1—1 мм/с), однако электрическое поле распространяется со скоростью света. В связи с этим ток во всей цепи устанавливается практически мгновенно.
Пучки электронов, ускоренные до больших энергий, например, в линейных ускорителях, являются одним из основных средств изучения строения атомных ядер и природы элементарных частиц. Более прозаическим применением электронных лучей являются телевизоры и мониторы с электронно-лучевыми трубками (ЭЛТ) — кинескопами. Электронный микроскоп также использует способность электронных пучков подчиняться законам электронной оптики. Еще ускоренные электронные лучи применяются для создания рентгеновского излучения: при попадании электронного пучка в металлическую мишень происходит рассеяние электронов на электростатическом поле атомных ядер и электронов и генерация тормозного излучения. До изобретения транзисторов практически вся радиотехника и электроника были основаны на вакуумных электронных лампах, где применяется управление движением электронов в вакууме электрическими (иногда и магнитными) полями. Электровакуумные приборы (ЭВП) продолжают ограниченно использоваться и в наше время. Наиболее распространенные применения — магнетроны в генераторах микроволновых печей и вышеупомянутые электронно-лучевые трубки в телевизорах и мониторах.
Электронные пучки используются в устройствах для очистки дымовых газов[23] и в буровых установках для бурения скальных пород[24].
Если электрон находится в периодическом потенциале, его движение рассматривается как движение квазичастицы[25]. Его состояния описываются квазиволновым вектором. Основной динамической характеристикой в случае квадратичного закона дисперсии является эффективная масса, которая может значительно отличаться от массы свободного электрона и в общем случае является тензором[26].
Через сотую долю секунды после Большого взрыва Вселенная состояла из смеси электронов, позитронов, нейтрино, фотонов, протонов и нейтронов. На каждые протон и нейтрон приходилось примерно по миллиарду электронов, позитронов, нейтрино и фотонов. Примерно через 14 секунд после Большого взрыва, когда температура Вселенной снизилась до 3 млрд градусов, почти все электроны аннигилировали с позитронами[27].
Известно[28], что из каждых 100 нуклонов во Вселенной 87 являются протонами и 13 — нейтронами (последние в основном входят в состав ядер гелия). Для обеспечения общей нейтральности вещества число протонов и электронов должно быть одинаково. Плотность барионной (наблюдаемой оптическими методами) массы, которая состоит в основном из нуклонов, достаточно хорошо известна (один нуклон на 0,4 кубического метра)[29]. С учетом радиуса наблюдаемой Вселенной (13,7 млрд световых лет) можно подсчитать, что число электронов в этом объеме составляет ~1080, что сопоставимо с большими числами Дирака.
Электрический заряд электрона, постоянная Планка и скорость света определяют постоянную тонкой структуры, определяющую интенсивность электромагнитных взаимодействий:
.
Масса электрона, электрический заряд электрона и постоянная Планка определяют характерный размер атомов (боровский радиус):
см[30].
Радиоизлучение радиогалактик и пульсаров объясняется синхротронным излучением электронов в магнитных полях около этих объектов. Доля электронов с энергией, превышающей 1 ГэВ, в первичных космических лучах составляет около 1 % от общего потока[31].
Давление вырожденного электронного газа играет важную роль на заключительном этапе эволюции звезд. Звезды с массой меньше чандрасекаровского предела после охлаждения стабилизируются давлением вырожденного электронного газа и превращаются в белые карлики. В звездах с большей массой атомные ядра захватывают электроны и распадаются на нейтроны (нейтронная звезда)[32]. Ядерные реакции с участием электронов и позитронов играют важную роль при взрывах сверхновых звезд[33].
С электроном связаны несколько физических величин, имеющих размерность длины[34]:
см;
см;
см.Все электроны во Вселенной абсолютно одинаковы по своим свойствам. Если обозначить величину электрического заряда электрона как 
, то электрические заряды всех известных элементарных частиц, за исключением кварков, равны {\displaystyle \pm e,0}
, а электрические заряды кварков равны 
. Масса электрона резко выделяется в распределении известных элементарных частиц по массам[35]. Классический радиус электрона почти равен радиусу действия ядерных сил[36][37][38]. Можно ли вывести величину электрического заряда электрона из других мировых констант (скорости света, постоянной Планка, гравитационной постоянной)[39]? Имеет ли смысл вопрос о размере электрона? Зависит ли размер электрона от условий опытов[40]? Ответы на эти вопросы пока неизвестны (см. Нерешенные проблемы современной физики).
Если бы масса электрона превышала разность масс нейтрона и протона, то химический состав Вселенной изменился бы коренным образом. В ней отсутствовал бы водород, а следовательно, звезды в их обычном понимании, жизнь и разум. Поэтому, возможно, малая масса электрона обусловлена антропным принципом[41].
Если бы электрон имел целый спин, то принцип Паули бы для него не выполнялся. Как следствие, во всех атомах отсутствовали бы электронные оболочки, и все атомы были бы химически инертны. Во Вселенной отсутствовали бы молекулы, химические соединения и жизнь, подобная нашей.
Для описания атомных и молекулярных многоэлектронных систем вместо точного решения уравнения Шредингера приходится обращаться к тем или иным приближениям, одним из которых является одноэлектронное, также называемое орбитальным. В его основе лежит представление о существовании индивидуальных состояний каждого электрона, которые представляют собой стационарные состояния движения электрона в некотором эффективном поле, создаваемом ядром (или ядрами) и всеми остальными электронами. Эти стационарные состояния описываются соответствующими одноэлектронными функциями[42] — орбиталями.
Теория одноэлектронной Вселенной — гипотетическая модель Вселенной, в которой все электроны являются одним электроном, находящимся попеременно в разных точках пространства. Предпосылкой для создания гипотезы являлся принцип тождественности электронов, то есть невозможность экспериментально различить два электрона. Основоположником гипотезы считается Ричард Фейнман. Ввиду своей простоты гипотеза может быть сформулирована в рамках школьной программы по физике.
Рассмотрим для простоты двумерную Вселенную — одна ось пространства и одна ось времени. В пространстве-времени начертим произвольную кривую. Укажем направление обхода этой кривой. Выделим две части этой кривой: та часть, которая идет вправо (синяя линия) и та часть, которая идет влево (красная линия). Эти цвета соответствуют электрону и позитрону. Фрагментируем время: разделим ось времени на множество составляющих, при этом шаг разбиения может быть различным. Выберем на каждой полосе только одну составляющую кривой. Проделав все это, мы имеем Вселенную, в которой в каждый момент времени всегда существует только один электрон, при этом может показаться что их несколько (на рисунке такое число достигает четырех).
Фейнман пришел к своей основной идее, когда он был студентом в Принстоне весной 1940 года, во время телефонного разговора со своим профессором физики Джоном Уилером. В речи при получении Нобелевской премии Фейнман следующим образом передает эту историю: «Фейнман, — сказал Уилер, — я знаю, почему все электроны обладают одним и тем же зарядом и одной и той же массой». «Почему?» — спросил Фейнман. «Потому, — ответил Уилер, — что все они являются одним и тем же электроном!»
В 1948 году Ричард Фейнман разработал математический подход к квантовой теории, в котором античастица рассматривалась как частица, движущаяся обратно во времени.
Начнем с того, что электроны в атомах, согласно классической модели, совершают направленные вращательные движения вокруг ядер. То есть, в каждом атоме присутствует электрический ток. Значит каждый атом обладает магнитным полем. По идее, магнитные поля атомов должны сложиться в одно общее результирующее поле макротела. И таким образом, всякое тело должно быть постоянным магнитом.
Возможно поля складываются таким образом, что компенсируют друг друга, но тогда положение атомов в магнитонейтральном веществе должно быть строго выверенным, а не каким попало, как нас учит физика. Здесь возникает вопрос, что вероятнее: отсутствие у атомов магнитных полей, или строгая ориентация атомов в веществе. Вероятнее естественно первое, поскольку деформация структуры макротел не приводит к возникновению у них магнитных полей. Попробуйте сгибать-разгибать алюминиевый провод. Греться он будет, но магнитного поля не возникнет.
Далее, нас уверяют, что в металлах содержаться свободные электроны, которые и обеспечивают металлам проводимость. В таком случае, в любом куске металла, должны присутствовать микротоки, а значит всякий металлический предмет должен греться сам по себе. Его температура должна превышать температуру окружающей среды, чего на практике не случается.
Еще нас уверяют, что при нагревании металла, с него начинают выскакивать электроны, и образуют вокруг облако. Все электронные лампы работают именно на указанном принципе. Давайте попробуем нагреть до красна гвоздь, а затем поднесем к нему такой же гвоздь, но холодный. По идее мы должны получить на гвоздях разницу электрических потенциалов, но не получим. Значит никакие электроны с нагретого гвоздя не выскакивают.
Так что, электроны блеф? Да блеф, и ученые это подтверждают заявлением о том, что электрон имеет нулевую массу покоя. То есть, пока стоит ничего не весит. Но как только начинает двигаться, так сразу весит. Чисто теоретически это предположить можно, но на практике такого не бывает.
Отсутствие электронов в Природе можно доказать многими способами, но чтобы не утомлять читателя приведу последний:
Если подключить к двум разнесенным металлическим шарикам высоковольтный источник напряжения, получим противоположно заряженные шарики. По классике, в одном будет избыток электронов, а в другом недостача. Электроны в металле находятся в движении, а значит массу имеют даже теоретически. Это значит, что отрицательно заряженный шарик должен потяжелеть, а положительно заряженный, полегчать. Практически такого эффекта естественно не наблюдается.
В любом учебнике по физике можно найти пример того, как статическое электричество возникает, если потереть шерстяную тряпочку об эбонит. Написано буквально следующее: с этой шерстяной тряпочки на эбонит перетекают электроны. Избыток этих электронов заряжает эбонит отрицательно. Вроде все понятно и очевидно. Но как быть с тем, что эбонит – это диэлектрик? Буквально через несколько страниц в том же учебнике мы узнаем, что электроны в атомах диэлектриков прочно удерживаются на своих местах и не могут двигаться. Что же мы тогда наблюдаем, когда натираем эту несчастную трубку шерстяной тряпочкой?
Это противоречие подтверждает и опыт по расположению заряда в конденсаторе.
Например, все мы слышали про электронный микроскоп. Но, кто сказал, что этот микроскоп видит именно электроны? На самом деле это устройство просто способно различать более мелкие детали. Также все слышали про камеру Вильсона. Но на самом деле, сам электрон никто никогда не видел. В реальности существует только признанная наукой физическая модель, которая вроде бы наиболее понятно объясняет физические явления на данный момент.
В 1897 году об открытии электрона заявил Джозеф Джон Томсон, когда провел свой знаменитый эксперимент с катодными лучами. Позже он даже Нобелевскую премию за это получил.
Спустя десятилетия появилось то, что еще недавно стояло в каждом доме. Речь идет о телевизоре с кинескопом или электро-лучевой трубкой. По мнению ученых, принцип работы этого устройства конкретно показывает нам, что такое электрон. Но это не совсем так.
В генераторе никакие электроны не рождаются. Устройство как-бы проталкивает по замкнутой цепи те электроны, которые уже есть в материале этой цепи. А в электронно-лучевой трубке они непрерывно выстреливают, как из пулемета. По логике вещей, электроны должны теряться. Кончится в конце концов, как запас боеприпасов при стрельбе. Но они откуда-то берутся. Откуда же?
А еще получается, что в металлах электроны свободно покидают свои ядра и массово каким-то образом движутся под влиянием приложенного напряжения «от плюса к минусу».
Так, любая частица, например электрон, в некоторых опытах проявляет себя как частица, в других – как волна. Наиболее характерен в этом плане мысленный эксперимент с прохождением электрона через две щели. но кто сказал что воооще электрон это частица? ведь якобы при особом наблюдении она проявляется себя как частица, но при этом нарушается система эксперимента и он не тождественный эксперименту в котором проявляется волна.
следущее противоречние это то что в физике электрон свободно двигается в веществе при этом возникает электрический ток а в химии наоборот электроны не могут покидать свои атомы, они жестко образуют валентую связь, кристаллическую решетку и тд
Вывод: элементарных частиц с названием электрон не существует. Они придуманы только лишь ради объяснения электрического тока. и нужно создать и развивать безэлектронную теорию поля.
.
Исследование, описанное в статье про электрон, подчеркивает ее значимость в современном мире. Надеюсь, что теперь ты понял что такое электрон, безэлектронная теория поля и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Атомная и Ядерная физика
Ответы на вопросы для самопроверки пишите в комментариях, мы проверим, или же задавайте свой вопрос по данной теме.
Комментарии
Оставить комментарий
Атомная и Ядерная физика
Термины: Атомная и Ядерная физика