Электрон

Электрон (грэч. Ηλεκτρόνιο) — стабільная элементарная часціца, адна з асноўных структурных адзінак рэчыва. З электронаў складаюцца электронныя абалонкі атамаў, дзе іх лік і становішча вызначае ўсе хімічныя ўласцівасці рэчываў. Рух вольных электронаў абумоўлівае такія з’явы, як электрычны ток у правадніках і вакууме.

сімвал	${\displaystyle ~e,~e^{-}}$
маса	9,10938291(40)×10−31кг[1], 0,510998928(11) МэВ[1]
антычасціца	пазітрон
класы	ферміён, лептон
квантавыя лікі
электрычны зарад	−1,602176565(35)×10−19 Кл[1]
спін	1/2
ізатапічны спін	0
барыённы лік	0
дзіўнасць	0
чароўнасць	0
Іншыя ўласцівасці і звесткі
час жыцця	∞ (не меней 4,6×1026 гадоў)
каналы распаду	—
састаў часціцы	—

Звычайна электрон пазначаецца ў формулах літарай e^-. Бэта-часціцы, якія з’яўляюцца высокаэнергетычнымі электронамі, якія ўтвараюцца пры бэта-распадзе атамных ядраў, пазначаюцца знакам β^-.

Электрон адносіцца да сямейства лептонаў, мае зарад −1, спін 1 / 2. Антычасціца для электрона — пазітрон.

${\displaystyle ~{m_{e}}=9,10938215(45)~{\cdot }~10^{-31}}$ кг — маса электрона.

${\displaystyle ~{e_{0}}=-1,602176487(40)~{\cdot }~10^{-19}}$ Кл — зарад электрона.

Адкрыццё электрона як часціцы належыць Дж. Томсану, які ў 1897 устанавіў, што адносіны зарада да масы для катодных прамянёў не залежыць ад матэрыялу крыніцы. Хвалістую прыроду электрона адкрыў Луі дэ Бройль.

Электрон удзельнічае ў электрамагнітным, слабым і гравітацыйным узаемадзеяннях элементарных часціц. У класічнай электрадынаміцы электрон апісваецца ўраўненнямі Лорэнца—Максвела; у квантавай механіцы — ураўненнямі Шродынгера (для нерэлятывісцкіх з’яў) і ўраўненнямі Дзірака (для рэлятывісцкіх з’яў). Характар размяшчэння электронаў ў атамных абалонках і запаўнення імі энергетычных узроўняў абумоўлены іх спінам (г.зн. электроны падпарадкоўваюцца прынцыпу Паўлі), што вызначае электрычныя, хімічныя, аптычныя і іншыя ўласцівасці атамаў і малекул і вядзе да перыядычнага паўтарэння ўласцівасцей хімічных элементаў (гл. Перыядычная сістэма элементаў Мендзялеева). Характар руху электронаў і іх размеркаванне па энергіях вызначае электраправоднасць, цеплаправоднасць і іншыя ўласцівасці цвёрдых і вадкіх цел.

Даследаванні ўласцівасцей і асаблівасцей руху электронаў стымулявала развіццё фізікі і стварэнне новых галін тэхнікі.

Гісторыя вывучэння

У пачатку XIX стагоддзя Джон Дальтан прапанаваў атамную тэорыю, якая сцвярджала, што хімічныя элементы складаюцца з дробных часцінак-атамаў. Пры гэтым існаванне субатамных, то бок драбнейшых за атам, часціц дальтанавай тэорыяй не разглядалася^[2].

Трубка Крукса^[en] з катодам злева і анодам унізе. Разагнаныя электроны далятаюць з катода на супрацьлеглы канец трубкі, утвараючы там свячэнне. Крыж на іх шляху пакідае цень, што паказвае на кірунак перамяшчэння электронаў.

У сярэдзіне XIX стагоддзя эксперыменты са шкляной вакуумнай трубкай з замацаванымі на канцах электродамі паказалі ўзнікненне флюарэсцэнцыі (свячэння) у трубцы пры стварэнні электрычнага напружання паміж электродамі. Навукоўцы меркавалі, што прычынай гэтай з’явы мусілі быць некаторыя прамяні, што праходзілі ад адмоўна зараджанага катода да дадатна зараджанага анода і выклікалі свячэнне. Такія прамяні назвалі катодным выпраменьваннем. Высветлілася таксама, што самі па сабе прамяні не маюць колеру, а свячэнне ёсць вынікам кантакту прамянёў з рэшткамі газу ў трубцы або яе сценкамі. Акрамя таго, кірунак прамянёў мяняўся пры ўздзеянні на іх электрычнага і магнітнага палёў^[3].

Брытанскі навуковец Джозеф Джон Томсан заўважыў, што ўласцівасці катоднага выпраменьвання не змяняюцца ў залежнасці ад матэрыялу, з якога зроблены катод. У 1897 годзе ён апублікаваў работу, дзе апісваў катодныя прамяні як патокі адмоўна зараджаных часціц. Уздзейнічаючы на патокі электрычным і магнітным полем і вымяраючы адхіленне, Томсан падлічыў, што 1 грам часціц мае зарад велічынёй 1.76 * 10^8 кулонаў. Такім чынам быў знойдзены ўдзельны зарад электронаў (адносіна зарада да масы), аднак паасобку маса і зарад адной часціцы заставаліся невядомымі. Цяпер гэтую работу Томсана ўважаюць за адкрыццё электрона^[3].

Зарад электрона быў вызначаны ў 1909 годзе Робертам Мілікенам з Чыкагскага ўніверсітэта. Мілікен правёў эксперымент з кроплямі алею^[en], у якім замяраў хуткасць руху кропляў паміж зараджанымі пласцінамі ўнутры адмысловай камеры. Кроплям надаваўся зарад з дапамогай рэнтгенаўскага выпраменьвання, а электрычнае поле, створанае пласцінамі, дазваляла кіраваць іх рухам. На аснове праведзеных вымярэнняў можна было падлічыць зарад асобных кропляў. Для ўсіх кропляў гэтае значэнне аказалася кратным 1,602 × 10^-19 Кл, таму Мілікен зрабіў выснову, што гэта і ёсць зарад аднаго электрона. Вядомае з ранейшых эксперыментаў Томсана значэнне зараду на адзінку масы дазволіла таксама падлічыць і масу часціцы^[4].

Выкарыстанне

У большасці крыніц нізкаэнергетычных электронаў выкарыстоўваюцца з’явы тэрмаэлектроннай эмісіі і фотаэлектронных эмісіі. Высокаэнергетычных, з энергіяй ад некалькіх кэВ да некалькіх МЭВ, электроны выпраменьваюцца ў працэсах бэта-распаду і ўнутранай канверсіі радыеактыўных ядраў. Электроны, якія выпраменьваюцца ў бэта-распадзе, часам называюць бэта-часціцамі ці бэта-прамянямі. Крыніцамі электронаў з больш высокай энергіяй служаць паскаральнікі.

Рух электронаў у металах і паўправадніках дазваляе лёгка пераносіць энергію і кіраваць ёю. Гэта з’ява (электрычны ток) з’яўляецца адной з асноў сучаснай цывілізацыі і выкарыстоўваецца практычна паўсюдна ў прамысловасці, сувязі, інфарматыцы, электроніцы, у побыце. Хуткасць дрэйфу электронаў у правадырах вельмі малая (~ 0,1-1 мм/с), аднак электрычнае поле распаўсюджваецца з хуткасцю святла. У сувязі з гэтым ток ва ўсёй ланцугу ўсталёўваецца практычна імгненна.

Электрон як квазічасціца

Калі электрон знаходзіцца ў перыядычным патэнцыяле, яго рух разглядаецца як рух квазічасціцы^[5]. Яго стану апісваюцца квазіволновым вектарам. Асноўны дынамічнай характарыстыкай у выпадку квадратычнага закона дысперсіі з’яўляецца эфектыўная маса, якая можа значна адрознівацца ад масы вольнага электрона і ў агульным выпадку з’яўляецца тэнзар^[6].

Гл. таксама

• Кулонаўская блакада

Зноскі

1. http://physics.nist.gov/cuu/Constants/Table/allascii.txt Fundamental Physical Constants — Complete Listing
2. Brown 2011, с. 40.
3. Brown 2011, с. 41-42.
4. Brown 2011, с. 42.
5. Киттель, Ч. Квантовая теория твердых тел. — М.-Л.: Наук, 1967. — С. 103
6. Давыдов, А. С. Теория твердого тела. — М.: Мир, 1979. — С. 122