на задворках атомов / Хабр

Электроны, крохотные объекты, населяющие задворки атомов, играют ведущую роль в химии, переносят электрический ток по нашим электрическим сетям и внутри ударов молний, и составляют «катодные лучи», использовавшиеся для создания изображений в телевидении XX века и на экранах компьютеров. Это наиболее типичный пример (вроде бы) элементарных частиц.

Под «элементарными» я подразумеваю, что электроны неделимы и не состоят из частиц меньшего размера. При помощи «вроде бы» я напоминаю, что они элементарны, насколько нам позволяют судить об этом современные знания – то, что мы знаем об электронах, получено в экспериментах, а наши эксперименты не обладают бесконечной властью. Если электроны не элементарны, но настолько малы, что наши текущие эксперименты не могут их разломать – они будут выглядеть элементарными во всех экспериментах, проведённых нами в прошлом и настоящем, но не во всех будущих экспериментах. Так что, когда-нибудь – ведь 80 лет назад люди считали, что протоны могут быть элементарными, но им не хватало знаний, а 150 лет назад люди считали, что атомы могут быть элементарными, но им не хватало знаний – мы можем обнаружить, что электроны не элементарны. Но пока, поскольку все доступные нам эксперименты демонстрируют, что они элементарны, мы будем условно предполагать, что так и есть – помня, что это частично экспериментальный факт, и частично – предположение!

Электрон стал первой из обнаруженных субатомных частиц (первым найденным объектом, чей размер был меньше атома). Во времена его открытия, в 1890-х (обычно пишут 1897 год, но это открытие было в некотором роде постепенным), научные дебаты по поводу того, состоит ли материя из атомов, или же атомы были просто выдумкой, удобной для описания поведения материи, подходили к концу. Но даже те, кто верил в существование атомов, не обязательно считали, что атомы были неделимы (как предполагало их имя, произошедшее от греческого «неразрезаемый»). Поколение спустя, к середине 1930-х, физики подтвердили существование атомов, поняли их базовую структуру и узнали, как подсчитывать их свойства с высокой точностью. Эти подсчёты они провели с помощью уравнений из теории поведения материи 1920-х годов, называемой «квантовая механика», ставшей необходимой потому, что знаменитые уравнения Ньютона не справлялись с описанием работы атомов. Многие ключевые проверки точности квантовой механики были связаны с точными измерениями поведения электронов внутри и снаружи атомов.

Все электроны идентичны и неразличимы; если я поменяю два из них местами, вы не сможете этого обнаружить. Так что я могу писать о «свойстве электрона», а вы можете быть уверены в том, что эти свойства таковы для всех электронов. Какие же свойства присущи им?

Масса!

У электрона есть масса – она мала по сравнению с массой любого атома, поэтому про неё обычно можно забыть в начальных классах химии, но она не настолько мала, чтобы забыть о ней в физике частиц и даже в понимании структуры атомов. Хотя электроны не вносят значительного вклада в массу атома, масса электрона необходима для определения размера атома. В этом, в частности, заключается важность поля и частицы Хиггса. Эту массу можно записать по-разному, и каждый из способов даёт вам свою перспективу:

• Она равна примерно 9 × 10^-31 кг = 0.000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 9 кг.
• Она равна примерно 0,05% (точнее, 1/1838) массы атома водорода – легчайшего атома в природе. Большая часть его массы содержится в его ядре.
• Энергия, хранящаяся в массе электрона, E = mc², равна 0,000 511 ГэВ. Это в 200 000 раз больше энергии, переносимой одним фотоном зелёного цвета. В физике частиц масса частицы часто записывается через обратное взаимоотношение энергии и массы: для стационарной частицы m = E / c². В этих терминах масса электрона равна 0,000511 ГэВ / c ².

Электрический заряд!

У электрона есть электрический заряд – а значит, на него действуют электрическое и магнитное поля. На электрически заряженную частицу в присутствии электрического поля будет действовать электрическая сила. Именно такие силы удерживают электроны внутри их атомов.

Насколько велик электрический заряд электрона? Представьте себе статическое электричество – вы прошли в ботинках по ковру, а затем, прикоснувшись к дверной ручке, другому человеку или компьютеру (!!!), вы почувствуете искру. Эта искра переносит заряд из одного места в другое – и обычно она в 10 миллионов миллионов раз больше заряда, переносимого электроном. Физики измеряют заряд с использованием произвольно выбранной единицы под названием кулон (так же, как время измеряется в секундах и длина в метрах). В типичном заряде статического электричества содержится одна миллионная доля кулона. Величину заряда электрона обычно обозначают e, и e примерно равно 1,6 × 10

-19 Кл.

Размер?

Размер электрона неизвестен; он может оказаться точечным объектом без размера, или у него может быть чрезвычайно малый размер, радиус которого не превышает 10

^-18

м. Это, по меньшей мере, в 100 000 000 раз меньше радиуса атома. В ином случае мы бы видели признаки размера электрона в экспериментах.

Как на самом деле выглядит электрон? Как я писал в статье про атомы, определить понятие размера элементарной частицы сложно, поскольку электрон, хотя его и называют частицей, не является какой-нибудь пылинкой или крупинкой соли или песка. У него также есть и волновые свойства. В атоме электроны в каком-то смысле распределены по всему атому, как распространяется звуковая волна от барабана. В этом смысле, находясь внутри атома, они имеют размер всего атома.

Но это контекстуальный, а не присущий самому электрону размер. Я так и буду называть это «контекстуальным размером». Измените контекст – выньте электрон из атома, поместите его в маленькую металлическую коробку – и распределение электрона может вырасти или ужаться. У протона, наоборот, есть присущий ему размер, примерно в 100 000 раз меньше атома. Ни в каком смысле нельзя сделать протон меньше присущего ему размера, не разломав его. Короче, контекстуальный размер не может быть меньше внутреннего размера. Уменьшив контекстуальный размер электрона до минимума, в основном через рассеяние электронов высокой энергии с других частиц, мы искали их внутренний размер. Пока что ничего не нашли.

Так что, можно сказать, что эксперименты показывают, что присущий электрону размер меньше, чем 10^-18 м. А как далеко электрон распространяется в виде волны, зависит от контекста.

Спин@

Про это свойство вы могли и не слышать. Оно может покорёжить вам мозг (как покорёжило мне!)

Среди странных свойств квантового мира есть очень странный факт (впервые открытый в 1920-х Гаудсмитом и Уленбеком, пытавшимися осмыслить данные, полученные с измерений электронов в атоме) — элементарные частицы могут крутиться, даже не имея размера! Представить это невозможно: мне, по крайней мере, это недоступно. Скажем это в практическом смысле: электроны и многие другие частицы природы ведут себя так, будто это маленькие вращающиеся волчки – если их поглощает другой объект, это заставляет этот объект немного крутиться. Представьте себе, как вращающийся кусок мягкой глины падает на способный крутиться стол. Глина прилипнет к столу, и стол начнёт вращаться.

Что ещё более странно, каждый из типов частиц всегда вращается с одной и той же скоростью! Мы говорим, что у электронов спин равен 1/2; это самая малая ненулевая скорость вращения, которой способна обладать частица. Нам также известны другие типы элементарных частиц со спином 1/2, 1, и (как мы думаем) 0, и не-элементарных частиц со спинами 0, 1/2, 1, 3/2, 2, 5/2, и далее, до очень больших значений.

Магнетизм↑

Электрически заряженный вращающийся шар вёл бы себя, как магнит, и вы можете догадаться, что поскольку у электронов есть заряд и спин, они ведут себя, как магниты. И вы правы! То, что электроны ведут себя, как маленькие магниты, помогает подтвердить тот факт, что они на самом деле вращаются. Обычные, повседневные магниты, сделанные из, допустим, железа, приобретают свой магнетизм от электронов; множества и множества электронов, чьи спины аккуратно выровнены, могут создать большой магнит из множеств и множеств маленьких!

А вы уверены в том, что электроны реально существуют?

Не пора ли в этой статье продемонстрировать изображение электрона?

Электрически заряженная частица проходит через специально подготовленную пузырьковую камеру, оставит за собой след из пузырьков. Пузырьки быстро раздуваются до видимого размера, а затем этот след можно сфотографировать. Магнитное поле изгибает путь частиц; направление изгиба сообщает вам, был ли заряд частицы положительным или отрицательным. Это знаменитое фото 1933 года демонстрирует тонкий искривлённый путь пузырьков, отмеченный красными стрелками, ведущий себя точно так же, как след электрона – за исключением того, что след электрона выгнулся бы вправо. Изгиб не в ту сторону доказывает, что у частицы, оставившей след, заряд положительный, и поэтому след оставлен позитроном, античастицей электрона. Горизонтальная черта и диагональные линии – это артефакты фотографии и экспериментальной установки.

В отличие от молекул и атомов, достаточно крупных для того, чтобы сделать их фотографии при помощи особых микроскопов, изображение электрона сделать невозможно. Он просто слишком мал и неуловим. Мы можем делать изображения следов электронов, проходящих сквозь материю, как на рисунке (там показан антиэлектрон, позитрон, но электрон выглядел бы практически точно так же), но мы не можем получать изображения электронов напрямую.

Но наша уверенность в существовании электронов очень сильна, а наши знания их свойств весьма точны. Откуда берётся это уверенность?

Это важный вопрос, поскольку один из самых частых вопросов, который задают специалистам по физике частиц – это знаем ли мы на самом деле, что эти частицы существуют, или же мы обманываем себя (и всех остальных), и тратим кучу денег на ерунду, которая оказывается всего лишь горячим воздухом, выходящим из наших голов.

Да, мы знаем, что мы делаем. И мы знаем об этом уже более ста лет. Часть нашей уверенности получена благодаря таким изображениям, которое приведено выше. Но есть и множество других источников уверенности, о которых я, возможно, напишу позже.

Что такое электрон

Электрон – это электрически заряженная элементарная частица, то есть частица, электрический заряд которой бесконечно мал. Электрон является одной из основных частиц в электронике, движением которой обусловлено появлением электрического тока в электрической цепи. Кроме этого электрон используют как основное обозначение практически всех заряженных частиц для объяснения физических и электрических свойств, полупроводников, проводников и диэлектриков.

В электронике принято считать, что электрон является основной частицей в веществе, с помощью которой переносится заряд. Кстати электрон, в противовес протону, всегда имеет отрицательный заряд.

История электрона

Само понятие «электрон» с греческого языка буквально означает «янтарь». Именно янтарь древнегреческими учеными и естествоиспытателями использовался для первых опытов по изучению свойств электричества. Однако сам термин был предложен несколько позже – в 1894 году британским физиком и математиком Джорджем Джонстоном Стони.

До начала XX века считалось, что электрон обладает лишь корпускулярными физическими свойствами, то есть ведет себя исключительно как частица. Лишь в 1924 году французский физик Луи де Бройль предложил, что электрон может обладать еще и волновыми свойствами. Его гипотеза была экспериментально доказана спустя 3 года – в 1927 году американскими физиками Клинтоном Джозефом Дэвиссоном,  Лестером Хэлбертом Джемером и английским физиком Джорджем Паджетом Томсоном.

Использование электрона

Электрон «заочно» используется во всех процессах, связанных с перемещением и управлением электрической энергией, созданием электромагнитных полей, хранением, преобразованием и передачей информации в электронном виде и в множестве других процессов.

< Предыдущая		Следующая >

Электрон. Что такое электрон, его заряд, масса, спин, энергия покоя

Электрон — это стабильная отрицательно заряженная элементарная частица.

Электроны играют важную роль почти во всех физических эффектах. Поскольку электроны несут заряд, они также генерируют электрическое поле. Если привести электрон в движение, то возникнет магнитное поле. Если электрон проходит через другое внешнее электрическое поле, его путь изменяется под действием силы Лоренца.

Электрон принадлежит к лептонному семейству частиц. Существует несколько различных семейств частиц, перечисленных в стандартной модели физики частиц.

Спин электрона и магнитный момент электрона.

Согласно современному уровню знаний, лептоны являются элементарными частицами. По сравнению с другими лептонами, электрон имеет самую низкую массу среди лептонов, несущих заряд. Он принадлежит к первому поколению лептонов. Второе и третье поколения — мюон и тауон. Эти две частицы имеют одинаковые с электроном заряды и спин, но отличаются от него большей массой.

Лептоны отличаются от других фундаментальных частиц, таких как кварки, отсутствием сильного взаимодействия. Все лептоны принадлежат к семейству фермионов, поэтому электрон имеет собственный вращательный момент ( спин ) s = ½ в единицах ℏ, где ℏ — приведённая постоянная Планка).

« Как и любая заряженная частица со спином, электрон обладает магнитным моментом, причём магнитный момент делится на нормальную часть и аномальный магнитный момент (добавка примерно 0,116 %). Магнитный момент электрона μ_e = -9,2847647043(28)⋅10−24 Дж/Тл. »

Википедия

Атомы и молекулы.

Электроны связаны с ядрами атомов «притягивающей» кулоновской силой. Такой состав из атомного ядра и одного или нескольких электронов называется атомом. Электроны движутся вокруг ядра атома. Если число электронов отличается от заряда ядра, то это ион.

Волновая природа связанных электронов описывается атомными орбиталями. Каждая из этих орбиталей имеет ряд квантовых чисел, таких как энергия и момент. Кроме того, у атома может быть только дискретное число орбиталей. В силу принципа Паули на орбитали может находиться максимум два электрона, спин которых имеет разные знаки.

Электроны находятся в оболочке атома, протоны — в атомном ядре

Химическая связь между атомами возникает благодаря электромагнитным взаимодействиям, которые описываются с помощью квантовой физики. Самые прочные связи создаются путем обмена или передачи электронов. Это позволяет образовывать молекулы. В молекулах электроны движутся аналогично атомам и занимают молекулярные орбитали. Однако фундаментальным отличием является образование пар электронов с разными спинами. Это позволяет нескольким электронам занимать одну орбиталь без нарушения принципа Паули.

Делимость электрического заряда

Хорошо известно, что молекулы и атомы в их нормальном состоянии не имеют электрического заряда. Поэтому мы не можем объяснить электризацию их движением. Однако если мы предположим, что частицы с электрическим зарядом существуют в природе, то мы должны обнаружить, что существует предел деления электрического заряда.

Согласно различным экспериментам, проведенным советским ученым Абрамом Федоровичем Иоффе и американским ученым Робертом Милликеном, было обнаружено, что существует заряженная частица с минимальным зарядом, который невозможно разделить.

В своих экспериментах они электризовали маленькие частицы цинковой пыли. Заряд пылинок меняли и вычисляли. Это было проделано несколько раз. При этом заряд оказывался каждый раз другим. Однако все изменения были кратны целому числу, большему, чем некоторый минимальный заряд (т.е. 2, 3, 4 и т.д.). Этот результат можно интерпретировать только следующим образом. Только наименьший заряд (или целое число таких зарядов) присоединяется к пылинке цинка или отсоединяется от нее. Этот заряд дальше уже не делится. Частица с наименьшим зарядом называется электроном.

Также в ходе опытов было установлено, что любая частица вещества либо электрически нейтральна, либо имеет заряд, кратный по модулю заряду электрона.

Свойства электрона

Электрон характеризуется и другими важными свойствами, помимо спина и магнитного момента. Рассмотрим их.

Масса электрона

Электроны очень малы. Масса электрона составляет m_e = 9,109 • 10^-31 кг или 5, 489 • 10^-4 атомных единиц массы (а. е. м). Эта масса примерно в 3700 раз меньше массы молекулы водорода, которая является самой маленькой из всех молекул. Из-за эквивалентности массы и энергии в соответствии с принципом относительности это приводит к энергии покоя 0,511 МэВ (мегаэлектронвольт).

Отношение массы протона к массе электрона равно 1836, то есть протон в 1836 раз «тяжелее» электрона.

Заряд электрона

Электрический заряд — одно из основных свойств электрона. Невозможно представить, что с электронов можно снять заряд. Они неотделимы друг от друга.

Электрический заряд — это физическая величина. Она обозначается буквой q. Единицей электрического заряда является кулон (Кл). Эта единица названа в честь французского физика Шарля Кулона. Электрон — это частица с наименьшим отрицательным зарядом. Его заряд равен e₀ = — 1,6 • 10^-19 Кл.

Модуль заряда электрона назвали элементарным электрическим зарядом. Его обозначают е. Измерения показали, что e = 1,6 • 10¹⁹ Кл.

Обратите внимание, что любой, даже самый малый, заряд тела содержит целое число элементарных зарядов. Так как заряд тела обозначается буквой q, то получаем: q = eN, где N — целое число (N = 1, 2, 3, … ).

Элементарный заряд может показаться очень малым, однако вспомним: в любом теле, видимом невооружённым глазом, содержится невообразимо большое число заряженных частиц. Так, суммарный заряд электронов в одной столовой ложке воды равен по модулю примерно миллиону кулонов (а вы уже знаете, как велик заряд всего в 1 Кл).

Важно! Термин элементарный заряд был придуман, когда предположили, что этот заряд является наименьшим электрическим зарядом в природе. Сегодня мы знаем, что 1/3 элементарного заряда также приходится на кварки.

Энергия покоя электрона

Энергия электрона рассчитывается из эквивалентности массы и энергии. Вы знаете это как формулу из теории относительности E=mc². E означает энергию, m — массу, а c — скорость света. Как было уже сказано выше в этой статье: «из-за эквивалентности массы и энергии в соответствии с принципом относительности это приводит к энергии покоя 0,511 МэВ (мегаэлектронвольт)».

В формуле это можно рассчитать следующим образом: E = m_ec² = 9,109 • 10^-31 • (3 • 10⁸ )² = 8,2 • 10^-14 Дж = 0,511 • 10⁶ эВ ≈ 0,511 МэВ

Список литературы

Список литературы

1. Тихомирова С. А., Яворский Б. М. Физика (базовый уровень) – М.: Мнемозина, 2012.
2. Перышкин А. В. Физика 8. – М.: Дрофа, 2010.
3. Бронштейн М. П. Атомы и электроны. — М.: Наука. — 1980. — 152 с., Библиотечка «Квант», вып. 1. Тир. 150000 экз.

(PDF) Что такое заряд

1

Валерий Пакулин

Санкт-Петербург, Россия

[email protected]

Что такое электрический заряд

Все говорят об электрическом заряде. Но никто не знает, что такое заряд. Все говорят об

электроне. Но никто не знает, что такое электрон. Все говорят, что электрон покрыт зарядом, как

ёлочный шарик покрыт мишурой. Но реальность намного интереснее. Электрический заряд как

отдельный объект, как субстанция, — не существует. Заряд есть вихревой поток гравитонов среды

электромагнитного поля, испускаемый электроном или позитроном.

Ключевые слова: заряд, нейтрино, фотон, электрон, электромагнитное поле.

Термины и определения

Материя – субстанция из трех вложенных фаз, заполняющих Вселенную [1].

Праматерия – основополагающее фазовое состояние материи в виде невидимой

дисперсной среды, заполняющей все пространство.

Электромагнитное поле – фазовое состояние материи в виде невидимой среды вихревых

сгущений праматерии.

Гравитон – мельчайшая частица среды электромагнитного поля.

Скорость света – значение тепловой скорости гравитонов.

Электрическое поле – поступательные потоки вихревой среды электромагнитного поля.

Магнитное поле – кольцевой вихревой поток среды электромагнитного поля.

Вещество – фазовое состояние материи в виде вихревых сгущений электромагнитного

поля.

Нейтрино и антинейтрино – мельчайшие частицы вещества.

Фотон и электрон – частицы вещества из спаренных нейтрино.

Антифотон и позитрон – частицы вещества из спаренных антинейтрино.

Масса – количество (в kg) гравитонов в материальном теле.

Электромагнитная (релятивистская) масса – количество (в kg) гравитонов в пограничном

вихревом слое среды электромагнитного поля, присоединенном к материальному телу.

Электрический заряд – количество (в kg) гравитонов электромагнитного поля, испускаемых

электронами или позитронами в виде лучевых потоков, вращающихся с около световой скоростью.

Реакция аннигиляции – взаимопревращение электрона и позитрона в фотон и антифотон.

Ученые впервые сфотографировали электрон внутри экситона

https://ria.ru/20210421/eksiton-1729318489.html

Ученые впервые сфотографировали электрон внутри экситона

Ученые впервые сфотографировали электрон внутри экситона — РИА Новости, 21.04.2021

Ученые впервые сфотографировали электрон внутри экситона

Японские и американские физики использовали передовые технологии, чтобы получить первое в истории изображение электрона внутри экситона — квазичастицы, имеющей… РИА Новости, 21.04.2021

2021-04-21T21:00

2021-04-21T21:00

2021-04-21T21:00

наука

технологии

япония

химия

физика

электроника

/html/head/meta[@name=’og:title’]/@content

/html/head/meta[@name=’og:description’]/@content

https://cdnn21.img.ria.ru/images/07e5/04/15/1729314443_0:244:1070:846_1920x0_80_0_0_29e653bb9a754c9de3f5fc61dee88e66.jpg

МОСКВА, 21 апр — РИА Новости. Японские и американские физики использовали передовые технологии, чтобы получить первое в истории изображение электрона внутри экситона — квазичастицы, имеющей важное значение в физике полупроводников. Результаты опубликованы в журнале Science Advances.Экситоны представляют из себя связанное возбужденное состояние отрицательно заряженных электронов и положительно заряженных дырок в полупроводнике, мигрирующее по кристаллу и не связанное с переносом электрического заряда или массы. Экситоны образуются, когда полупроводники поглощают фотоны света, что заставляет отрицательно заряженные электроны перескакивать с более низкого энергетического уровня на более высокий. Это оставляет положительно заряженные пустые пространства, называемые дырами, на нижнем энергетическом уровне. Противоположно заряженные электроны и дырки притягиваются и начинают вращаться друг вокруг друга, что создает экситоны.До сих пор ученым удавалось обнаружить и измерить экситоны лишь косвенными способами. Одна из проблем заключается в их хрупкости — требуется относительно небольшая энергия, чтобы разбить экситон на свободные электроны и дырки. Кроме того, они мимолетны по своей природе — в некоторых материалах экситоны гаснут примерно через несколько тысячных или даже миллионных долей секунды после их образования, когда возбужденные электроны «падают» обратно в дырки.Исследователи из Окинавского института науки и технологий (OIST) использовали свет крайней ультрафиолетовой части спектра, чтобы разбить экситоны на части и вытолкнуть электроны в вакуум электронного микроскопа. Измеряя угол, под которым электроны вылетают из материала, авторы определили орбиту, по которой электроны и дырки вращаются друг вокруг друга в экситоне. В квантовом мире электроны действуют как частицы и как волны, поэтому невозможно узнать положение и импульс электрона одновременно. Вместо этого физики оперируют понятием облака вероятности экситона, плотность которого показывает, где электрон с наибольшей вероятностью находится вокруг дыры.Путем измерения волновой функции авторы получили изображение облака вероятности экситона — по сути первое изображение экситона, показывающее пространственное распределение электрона относительно дырки.»Экситоны — действительно уникальные и интересные частицы. Они электрически нейтральны. Это означает, что они ведут себя в материалах совершенно иначе, чем другие частицы, такие как электроны. Их присутствие может изменить реакцию материала на свет», — приводятся в пресс-релизе института слова первого автора статьи Майкла Мана (Michael Man), сотрудника отдела фемтосекундной спектроскопии OIST.»Ученые впервые обнаружили экситоны около 90 лет назад, — продолжает руководитель исследования профессор Кешав Дани (Keshav Dani). — Но до недавнего времени можно было получить доступ только к оптическим сигнатурам экситонов, например, к свету, испускаемому экситоном при гашении. Другие аспекты их природы, такие как импульс и орбита, по которой электрон и дырка вращаются друг вокруг друга, могли быть описаны только теоретически».В 2020 году ученые из отдела фемтосекундной спектроскопии OIST разработали революционный метод измерения импульса электронов внутри экситонов. Теперь они использовали эту технику, чтобы сделать первое в истории изображение, которое показывает распределение электрона вокруг дырки внутри экситона.

https://ria.ru/20210401/svet-1603850039.html

япония

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

2021

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

Новости

ru-RU

https://ria.ru/docs/about/copyright.html

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

https://cdnn21.img.ria.ru/images/07e5/04/15/1729314443_0:144:1070:947_1920x0_80_0_0_ed2f9d19a0a95662bad3d49b4a98b084.jpg

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

технологии, япония, химия, физика, электроника

МОСКВА, 21 апр — РИА Новости. Японские и американские физики использовали передовые технологии, чтобы получить первое в истории изображение электрона внутри экситона — квазичастицы, имеющей важное значение в физике полупроводников. Результаты опубликованы в журнале Science Advances.

Экситоны представляют из себя связанное возбужденное состояние отрицательно заряженных электронов и положительно заряженных дырок в полупроводнике, мигрирующее по кристаллу и не связанное с переносом электрического заряда или массы.

Экситоны образуются, когда полупроводники поглощают фотоны света, что заставляет отрицательно заряженные электроны перескакивать с более низкого энергетического уровня на более высокий. Это оставляет положительно заряженные пустые пространства, называемые дырами, на нижнем энергетическом уровне. Противоположно заряженные электроны и дырки притягиваются и начинают вращаться друг вокруг друга, что создает экситоны.

До сих пор ученым удавалось обнаружить и измерить экситоны лишь косвенными способами. Одна из проблем заключается в их хрупкости — требуется относительно небольшая энергия, чтобы разбить экситон на свободные электроны и дырки. Кроме того, они мимолетны по своей природе — в некоторых материалах экситоны гаснут примерно через несколько тысячных или даже миллионных долей секунды после их образования, когда возбужденные электроны «падают» обратно в дырки.

Исследователи из Окинавского института науки и технологий (OIST) использовали свет крайней ультрафиолетовой части спектра, чтобы разбить экситоны на части и вытолкнуть электроны в вакуум электронного микроскопа. Измеряя угол, под которым электроны вылетают из материала, авторы определили орбиту, по которой электроны и дырки вращаются друг вокруг друга в экситоне.

В квантовом мире электроны действуют как частицы и как волны, поэтому невозможно узнать положение и импульс электрона одновременно. Вместо этого физики оперируют понятием облака вероятности экситона, плотность которого показывает, где электрон с наибольшей вероятностью находится вокруг дыры.

Путем измерения волновой функции авторы получили изображение облака вероятности экситона — по сути первое изображение экситона, показывающее пространственное распределение электрона относительно дырки.

«Экситоны — действительно уникальные и интересные частицы. Они электрически нейтральны. Это означает, что они ведут себя в материалах совершенно иначе, чем другие частицы, такие как электроны. Их присутствие может изменить реакцию материала на свет», — приводятся в пресс-релизе института слова первого автора статьи Майкла Мана (Michael Man), сотрудника отдела фемтосекундной спектроскопии OIST.

«Ученые впервые обнаружили экситоны около 90 лет назад, — продолжает руководитель исследования профессор Кешав Дани (Keshav Dani). — Но до недавнего времени можно было получить доступ только к оптическим сигнатурам экситонов, например, к свету, испускаемому экситоном при гашении. Другие аспекты их природы, такие как импульс и орбита, по которой электрон и дырка вращаются друг вокруг друга, могли быть описаны только теоретически».

В 2020 году ученые из отдела фемтосекундной спектроскопии OIST разработали революционный метод измерения импульса электронов внутри экситонов. Теперь они использовали эту технику, чтобы сделать первое в истории изображение, которое показывает распределение электрона вокруг дырки внутри экситона.

1 апреля, 21:00НаукаФизики открыли новое состояние света

Электрон может проявлять волновые свойства даже при высоких энергиях

Около ста лет назад физики выяснили, что электрон обладает свойствами как волны, так и частицы. Это явление получило название корпускулярно-волнового дуализма. При скоростях, близких к скорости света, электрон перестает проявлять волновые свойства, и его можно рассматривать как частицу.

В 2010–2011 годах физики совершили прорыв в управлении волновыми свойствами материи: они научились получать так называемые закрученные электроны, а чуть позже и нейтроны. «Закрученные» электроны отличаются от обычных тем, что кроме поступательного движения в пространстве их волновой фронт вращается вокруг направления движения. Это, казалось бы, незначительное отличие в корне меняет свойства элементарной частицы.

««Закрученные» фотоны ранее привели к созданию нового типа так называемых оптических пинцетов – устройств, позволяющих передвигать и вращать микроскопические объекты с помощью светового пучка. Генерация электронов и нейтронов в «закрученном» состоянии позволила существенно улучшить качество анализа магнитных свойств наноматериалов, открыла новые возможности для атомной спектроскопии и электронной микроскопии с субнанометровым разрешением», – говорит автор работы, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник лаборатории теоретической и математической физики ТГУ Дмитрий Карловец.

Ученые лаборатории теоретической и математической физики ТГУ исследовали поведение «закрученных» электронов при скоростях, близких к скорости света. Для этого они проводили моделирование с помощью компьютерных программ, а также использовали методы математической физики для описания процессов, происходящих с «закрученным» электроном при высоких энергиях.

В результате исследования ученые выяснили, что, в отличие от обычного, «закрученный» электрон при ускорении до скоростей, близких к скорости света, не теряет «закрученности», то есть волновых свойств. Также исследователи показали еще один эффект, отличающий «закрученный» электрон от обычного. Он заключается в увеличении эффективной массы этой элементарной частицы. По словам ученых, это очень похоже на эффект утяжеления электрона во внешнем электромагнитном поле, где за счет взаимодействия с фотонами (квантами света) масса электрона увеличивается. «Закрученный» электрон также становится эффективно тяжелее обычного за счет дополнительной «вращательной» энергии.

«Данное свойство мы планируем проверить в экспериментах на современных коллайдерах – ускорителях частиц. Для их проведения необходимо было убедиться, что свойство «закрученности» сохраняется при ускорении. Наша работа дает положительный ответ на этот вопрос, что открывает принципиальную возможность для получения «закрученных» электронов высокой энергии», – сообщает Дмитрий Карловец.

Что такое электрон?

Это фундаментальная частица со свойствами электрона (один заряд электрона, одна масса электрона и т. Д.). Электроны чрезвычайно малы и считаются точечными частицами, но их волновая функция может быть рассеяна по большой площади (весь атом или даже молекула).

Протон не является фундаментальной частицей, поскольку он состоит из трех кварков (эти кварки являются фундаментальными).

Все электроны идентичны друг другу. Поэтому, если у меня есть два электрона, я не смогу провести эксперимент, чтобы разделить их. Если бы они были, они бы вели себя совершенно иначе.

Электроны — это фермионы, что означает, что никакие два электрона не могут находиться в одном и том же месте одновременно. Если бы они были, тогда не было бы химии, поскольку все электроны упали бы в атомную оболочку с самой низкой энергией.

Электроны также имеют свойство, называемое спином. Это похоже на то, что частица вращается вокруг своей оси (несмотря на то, что она является точечной частицей без оси), она может вращаться только с одной скоростью и в одном из двух направлений.

но нам на самом деле не сказали, что это за частицы!

Что ж, это глубокий философский вопрос, на который нет универсально согласованного ответа.

Классически мы представляем, что это просто крошечный заряженный бильярдный шар, который подпрыгивает, но это представление очень неверно.

В квантовой механике электрон считается волновой функцией, которая взаимодействует с другими волновыми функциями, которые рассматриваются очень математически, без классического аналога.

В квантовой теории поля и теории струн электрон считается возбуждением струны или поля. Представьте себе пояс с поворотом в нем, поворот — это электрон, он может перемещаться с одного конца на другой, он может быть очень разбросанным или существовать в одном месте, и если он встречает поворот в противоположном направлении, то оба исчезают. Поворот в противоположном направлении, являющийся позитроном против частиц.

И если мы не знаем, как мы можем стрелять из оружия, как это делают в экспериментах … и т.д.

Если мы чего-то не понимаем, ничто не мешает нам проводить эксперименты и стрелять из них из оружия. Фактически, когда мы понимаем что-то, мы перестаем проводить эксперименты.

Если я не знаю, что такое утконос, ничто не помешает мне выстрелить в него из пистолета .

электронов | Определение, масса и факты

Исследуйте внутреннюю часть атома, чтобы узнать расположение его ядра, протонов и электронов

Описание расположения электронов в атомах различных элементов.

Encyclopædia Britannica, Inc. Посмотрите все видео к этой статье

электрон , самая легкая из известных стабильных субатомных частиц. Он несет отрицательный заряд 1,602176634 × 10 ⁻¹⁹ кулонов, который считается основной единицей электрического заряда.Масса покоя электрона составляет 9,1093837015 × 10 ⁻³¹ кг, что составляет всего ¹ / _1,836 массы протона. Поэтому электрон считается почти безмассовым по сравнению с протоном или нейтроном, и масса электрона не учитывается при вычислении массового числа атома.

Электрон был открыт в 1897 году английским физиком Дж. Дж. Томсон во время исследования катодных лучей. Его открытие электронов, которые он первоначально назвал корпускулами, сыграло решающую роль в революционном преобразовании знаний об атомной структуре.В обычных условиях электроны связаны с положительно заряженными ядрами атомов притяжением между противоположными электрическими зарядами. В нейтральном атоме количество электронов идентично количеству положительных зарядов ядра. Однако у любого атома может быть больше или меньше электронов, чем положительных зарядов, и, таким образом, он в целом заряжен отрицательно или положительно; эти заряженные атомы известны как ионы. Не все электроны связаны с атомами; некоторые находятся в свободном состоянии с ионами в форме вещества, известного как плазма.

Подробнее по этой теме

атом: Электрон

Ученым известно с конца 19 века, что электрон имеет отрицательный электрический заряд. Величина этого сбора …

Внутри любого данного атома электроны движутся вокруг ядра по упорядоченному расположению орбиталей, притяжение между электронами и ядром преодолевает отталкивание электронов, которое в противном случае заставило бы их разлететься.Эти орбитали организованы в концентрические оболочки, исходящие из ядра с увеличивающимся числом подоболочек. Электроны на ближайших к ядру орбиталях удерживаются наиболее плотно; те, что находятся на крайних орбиталях, защищены промежуточными электронами и в наибольшей степени удерживаются ядром. Когда электроны перемещаются внутри этой структуры, они образуют диффузное облако отрицательного заряда, которое занимает почти весь объем атома. Подробное структурное расположение электронов внутри атома называется электронной конфигурацией атома.Электронная конфигурация определяет не только размер отдельного атома, но и химическую природу атома. Классификация элементов внутри групп похожих элементов в периодической таблице, например, основана на сходстве их электронных структур.

В области физики элементарных частиц существует два способа классификации электронов. Электрон — это фермион, тип частиц, названный в честь статистики Ферми-Дирака, описывающей его поведение. Все фермионы характеризуются полуцелыми значениями их спина, где спин соответствует собственному угловому моменту частицы.Концепция спина воплощена в волновом уравнении для электрона, сформулированном П.А.М. Дирак. Волновое уравнение Дирака также предсказывает существование антивещественного аналога электрона, позитрона. Внутри фермионной группы субатомных частиц электрон можно далее классифицировать как лептон. Лептон — это субатомная частица, которая реагирует только на электромагнитные, слабые и гравитационные силы; он не реагирует на короткодействующее сильное взаимодействие, которое действует между кварками и связывает протоны и нейтроны в атомном ядре.

Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

Что такое электроны — Вселенная сегодня

[/ caption]

Если вы слышали об электронах, то знаете, что они как-то связаны с электричеством и атомами. Если это так, вы в основном правы, описывая, что такое электроны. Электроны — это субатомные частицы, которые вращаются вокруг ядра атома. Обычно они имеют отрицательный заряд и намного меньше ядра атома.Если бы вы хотели правильно сравнить размеры, размер Земли по сравнению с Солнцем был бы довольно точной визуализацией.

Известно, что электроны падают на орбиты или уровни энергии. Эти орбиты не являются видимыми путями, как орбита планеты или небесного тела. Причина в том, что атомы, как известно, очень малы, и лучшие микроскопы могут видеть только определенное количество атомов в таком масштабе. Даже если бы мы могли видеть электроны, они бы двигались слишком быстро для человеческого глаза. На самом деле ученые до сих пор не могут вычислить точное положение электронов.Они могут только оценить свое местоположение. Вот почему современная модель атомов имеет электронное облако, окружающее ядро ​​атома, вместо определенной системы электронов на концентрических орбитах.

Электроны также важны для связывания отдельных атомов вместе. Без этой силы связи между атомами материя не могла бы взаимодействовать во многих реакциях и формах, которые мы видим каждый день. Это взаимодействие между внешними электронными слоями атома называется атомной связью.Это может происходить в двух формах. Один из них — ковалентная связь, при которой атомы разделяют электроны на своих внешних орбитах. Другой — ионная связь, когда один атом отдает электроны другому атому. В любом случае соединение должно соответствовать определенным правилам. Мы не будем вдаваться в подробности, но каждая электронная орбита или уровень энергии электронов может удерживать только определенное количество электронов. Атомы могут связываться только в том случае, если есть место для обмена или получения дополнительных электронов на внешней орбите атома.

Электроны также важны для электричества.Электричество — это в основном обмен электронами в потоке, который называется током через проводящую среду. В большинстве случаев среда представляет собой кислоту, металл или аналогичный проводник. В случае статического электричества поток электронов проходит через воздух.

Понимание электрона позволило лучше понять некоторые из наиболее важных сил в нашей Вселенной, такие как электромагнитная сила. Понимание его работы позволило ученым разработать такие концепции, как разность потенциалов и взаимосвязь между электрическими и магнитными полями.

Мы написали много статей об электронах для «Вселенной сегодня». Вот статья о диаграмме атома, а вот статья о модели электронного облака.

Если вам нужна дополнительная информация об электронах, ознакомьтесь с разделом «Обсуждение электронов», а здесь — ссылка на статью «История электронов».

Мы также записали целый эпизод Astronomy Cast, посвященный Атому. Послушайте, Эпизод 164: Внутри атома.

Источники:
Wikipedia
Windows to Universe

Нравится:

Нравится Загрузка…

Что такое электрон — Вселенная сегодня

[/ caption]

Что такое электрон? Проще говоря, электрон — это субатомная частица, несущая отрицательный электрический заряд. Известных компонентов нет, поэтому считается, что это элементарная частица (основной строительный блок Вселенной). Масса электрона составляет 1/1836 его протона. У электронов есть античастица, называемая позитроном. Позитроны идентичны электронам, за исключением того, что все его свойства прямо противоположны.Когда электроны и позитроны сталкиваются, они могут быть разрушены и произведут пару (или более) гамма-квантов. Электроны имеют гравитационное, электромагнитное и слабое взаимодействия.

В 1913 году Нильс Бор постулировал, что электроны пребывают в квантованных энергетических состояниях, энергия которых определяется спином (угловым моментом) электронных орбит, и что электроны могут перемещаться между этими орбитами посредством излучения или поглощения фотонов. Эти орбиты объяснили спектральные линии атома водорода.Модель Бора не смогла учесть относительные интенсивности спектральных линий и не смогла объяснить спектры более сложного атома. Гилберт Льюис в 1916 году предположил, что «ковалентная связь» между двумя атомами поддерживается парой общих электронов. В 1919 году Ирвинг Ленгмюр усовершенствовал статическую модель Льюиса и предположил, что все электроны были распределены в последовательных «концентрических (почти) сферических оболочках одинаковой толщины». Оболочки были разделены на ряд ячеек, содержащих одну пару электронов.Эта модель смогла качественно объяснить химические свойства всех элементов периодической таблицы.

Инвариантная масса электрона составляет 9,109 × 10 ^-31 или 5,489 × 10 ^-4 атомной единицы массы. Согласно принципу эквивалентности массы и энергии Эйнштейна, эта масса соответствует энергии покоя 0,511 МэВ. Электроны имеют электрический заряд -1,602 × 10 кулонов. Это стандартная единица заряда для субатомных частиц. Заряд электрона идентичен заряду протона.Помимо спина, электрон имеет собственный магнитный момент вдоль оси вращения. Это примерно равно одному магнетону Бора. Ориентация спина относительно импульса электрона определяет свойство элементарных частиц, известное как спиральность. Наблюдение за одиночным электроном показывает, что верхний предел радиуса частицы составляет 10 ^-22 метров. Некоторые элементарные частицы распадаются на менее массивные. Но электрон считается стабильным на том основании, что это наименее массивная частица с ненулевым электрическим зарядом.

Понимание того, что такое электрон, — это начало понимания основных строительных блоков Вселенной. Очень элементарное понимание, но строительный блок для великой научной мысли.

Мы написали много статей об электроне для «Вселенной сегодня». Вот статья о модели электронного облака, а вот статья о заряде электрона.

Если вам нужна дополнительная информация об Electron, ознакомьтесь с историей страницы Electron, и вот ссылка на статью о Killer Electron.

Мы также записали целый эпизод Astronomy Cast, посвященный составу атома. Послушайте, Эпизод 164: Внутри атома.

Как это:

Нравится Загрузка …

Что такое электрон: его открытие, природа и все остальное

Электрон — это стабильная и отрицательно заряженная субатомная частица, которая также действует как переносчик электричества. Каждый электрон несет одну единицу отрицательного заряда (1,602 x 10-19 кулонов) и имеет массу примерно 1/1836 часть протона.Электроны обнаруживаются как непостоянно прикрепленными к атомам, так и внутри ядра.

Квантовая механика утверждает, что электроны нельзя различить на основании каких-либо внутренних свойств, поэтому все электроны имеют одинаковую массу, одинаковый электрический заряд и одинаковый спин, поэтому они могут свободно менять свои позиции в системе, не вызывая заметное изменение.

Кто открыл электроны?

Дж. Дж. Томсон. Источник: ThoughtCo.

Возможность появления электронов была предсказана Ричардом Лэмингом (1838-1851) и другими учеными.Ирландский физик Дж. Джонстон Стоуни (1874 г.) ввел термин «электрон» в 1891 г. для обозначения единицы заряда в своих экспериментах. В 1897 году английский физик Джозеф Джон Томсон открыл электроны, проводя эксперименты с электронно-лучевыми трубками. Он назвал электроны тельцами.

Электронно-лучевая трубка. Источник: Chemistry LibreTexts

Томсон направил катодные лучи между двумя параллельными алюминиевыми пластинами к концу трубки, где их можно было наблюдать в виде люминесценции на стекле. Когда верхняя алюминиевая пластина была отрицательной, лучи двигались вниз; когда верхняя пластина была положительной, лучи двигались вверх.Это отклонение было пропорционально разности потенциалов между пластинами, демонстрируя, что катодные лучи были отрицательно заряженными частицами.

Исходя из этого, Томсон сделал следующие гипотезы:

1. Катодные лучи состоят из отрицательно заряженных частиц, также известных как корпускулы.
2. Тельца — это элементарные частицы.
3. Кроме корпускул, атом не имеет никаких составляющих частиц.

Сегодня мы знаем, что третья гипотеза не точна, но это открытие электрона произвело революцию в физике и проложило путь для разработок, касающихся электричества, гравитации, электромагнетизма, теплопроводности и многих других областей.За свою работу Томсон был удостоен Нобелевской премии по физике 1906 года.

До Томсона такие ученые, как Ричард Флеминг, ранее предсказывали возможное существование электронов. Говорят, что древние греки обнаружили, что когда янтарь натирают мехом, он привлекает мелкие предметы. Греческое слово, обозначающее янтарь, «электрон» использовалось для обозначения силы, вызвавшей это притяжение.

Символ электрона, заряд и другие субатомные частицы

Источник: Subatomic Kitchen / Flickr

Протоны и электроны имеют равные, но противоположные заряды.Электроны притягиваются к положительно заряженным частицам, например протонам. Имеет ли вещество чистый электрический заряд или нет, определяется балансом между числом электронов и положительным зарядом атомных ядер. Если электронов больше, чем положительных зарядов, материал называется отрицательно заряженным. Если имеется избыток протонов, объект считается заряженным положительно. Если количество электронов и протонов сбалансировано, материал считается электрически нейтральным.

Радиус электрона примерно 2 х 10-10 см. Нейтроны и протоны, вместе известные как нуклоны, составляют 99,9% общей атомной массы атома, и по сравнению с этими частицами электроны имеют незначительное значение массы, поэтому масса электронов не учитывается, когда массовое число атома рассчитывается.

Символ для электрона — «e–», а для протона — «p +», но, что интересно, протоны не являются настоящими античастицами для электронов. Античастицей электрона является позитрон, который имеет электрический заряд +1 e, спин 1/2 (такой же, как у электрона) и такую ​​же массу, как электрон.

Позитроны не встречаются в природе, но образуются при распаде нуклидов, в ядрах которых имеется избыток протонов. При распаде эти радионуклиды испускают позитронов и нейтрино.

Число протонов, электронов и нейтронов в атоме

Для любого элемента массовым числом атома является общее количество протонов и нейтронов в ядре. Он измеряется в атомных единицах массы (а.е.м.).

Строение атома.Источник: Rogue Physicist

Массовое атомное число = (количество протонов) + (количество нейтронов)

В то время как атомный номер — это только количество протонов. Например, атомный номер углерода равен шести, следовательно, углерод имеет шесть протонов в ядре и шесть электронов на энергетических орбитах, окружающих ядро.

Электроны описываются как окружающие ядро ​​атома оболочками. Это не настоящие структуры, это области вероятности.

Источник: Universe Today

Атомный номер = количество протонов

Однако в случае заряженных атомов, также известных как ионы, количество протонов и электронов различается и зависит от заряда атома.Количество нейтронов в атоме можно легко вычислить, вычтя количество протонов из общего массового числа атома.

Количество нейтронов = атомное массовое число — количество протонов

Природа электрического заряда любого вещества определяется количеством протонов и электронов в его ядрах. Если количество протонов превышает количество электронов, то вещество заряжено положительно. Если электронов больше, чем протонов, считается, что вещество имеет отрицательный заряд.Любое вещество считается сбалансированным или электрически нейтральным, если количество протонов и электронов равно.

Волновая природа электронов

Французский физик Луи де Бройль предложил волновую природу электронов в своей докторской диссертации 1924 г. Тезис. Он заявил, что если свет и излучение могут проявлять двойное поведение, то материя также может существовать как частица и волна.

Источник: Biglobe

На Де Бройля повлияла теория относительности и фотоэлектрического эффекта Альберта Эйнштейна.Двадцатью годами ранее Эйнштейн выдвинул идею о том, что материя в атомном масштабе может проявлять свойства волны и частицы. Идея двойственной природы света только начинала получать научное признание, когда де Бройль расширил эту идею, включив в нее материю.

Согласно гипотезе Де Бройля, любой движущийся объект, макроскопический или микроскопический, имеет свою собственную длину волны, и эта длина волны обратно пропорциональна размеру объекта.

Источник: Hyperphysics

В последующие годы американские физики Клинтон Дэвиссон и Лестер Гермер провели эксперименты по дифракции электронов, которые еще раз подтвердили двойственную природу материи, данную Де Бройлем.В 1929 году де Бройль получил Нобелевскую премию по физике за исключительный вклад в квантовую физику.

Бонус: интересные факты об электронах

Источник: Нина З. / Unsplash

• Электроны — это элементарные частицы, а значит, их нельзя разделить дальше. Однако, если было показано, что масса электронов, искусственно удерживаемая в небольшом пространстве при температурах, близких к абсолютному нулю, разделится на квазичастицы, называемые спинонами и холонами. Также была обнаружена третья квазичастица, орбитон.Орбитон — это коллективное возбуждение электронов в одномерном твердом теле, которое ведет себя так же, как электрон — с орбитальным угловым моментом, но без спина или электрического заряда.
• Мир квантовой физики стал свидетелем исторического эксперимента в 2018 году. Ученым из Имперского колледжа в Лондоне удалось остановить электрон на его пути с помощью лазера Близнецов, яркость которого в миллион раз выше, чем у лазера Близнецов. поверхность солнца.
• Связь между отдельными атомами возникает, когда электроны одного атома взаимодействуют с электронами, находящимися на внешней оболочке другого атома, и образуют связи, разделяя или отдавая электроны.

• Электричество — это результат обмена электронами в потоке заряженных частиц с помощью проводящей среды, такой как металл. Этот поток также известен как электрический ток.
• Электронный микроскоп использует пучок электронов для изображения объектов. Образец специально подготавливается и помещается в вакуумную камеру, а вместо линз используется серия электромагнитов в форме катушек. Катушки изгибают электронные лучи для увеличения от 1 до 50 миллионов раз.
• В 2019 году исследователи из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли создали сверхбыстрый детектор электронов для обнаружения дефектов, возникающих на атомных уровнях. Это устройство оснащено 4D камерой и может обрабатывать 4 ТБ данных в минуту.

Спросите Итана: что такое электрон?

На иллюстрации этого художника изображен электрон, вращающийся вокруг ядра атома, где электрон является … [+] фундаментальной частицей, но ядро ​​может быть разбито на еще более мелкие и более фундаментальные составляющие.

НИКОЛЬ РЕЙДЖЕР ФУЛЛЕР, NSF

Если бы вы взяли любой крошечный кусочек материи в известной нам Вселенной и разбили его на все меньшие и меньшие составляющие, вы в конечном итоге достигли бы стадии, когда то, что у вас осталось, стало неделимым. Все на Земле состоит из атомов, которые в дальнейшем можно разделить на протоны, нейтроны и электроны. Хотя протоны и нейтроны можно разделить дальше, электроны — нет. Они были первыми открытыми элементарными частицами, и более 100 лет спустя мы все еще не знаем способа разделить электроны.Но что именно они? Вот что хочет знать сторонник Patreon Джон Даффилд, спрашивая:

Пожалуйста, опишите электрон … объясните, что это такое и почему он движется так, как он делает, когда взаимодействует с позитроном. Если вы также хотите объяснить, почему он движется так же, как в электрическом поле, магнитном поле и гравитационном поле, это было бы неплохо. Было бы неплохо объяснить заряд и объяснение того, почему электрон имеет массу.

Вот то, что мы знаем на самом глубоком уровне об одной из самых распространенных фундаментальных частиц.

Атом водорода, один из важнейших строительных блоков материи, существует в возбужденном квантовом … [+] состоянии с определенным магнитным квантовым числом. Несмотря на то, что его свойства четко определены, некоторые вопросы, такие как «где находится электрон в этом атоме», имеют только вероятностно определенные ответы.

Пользователь Wikimedia Commons Berndthaller

Чтобы понять электрон, вы должны сначала понять, что значит быть частицей.В квантовой Вселенной все одновременно является и частицей, и волной, и многие из ее точных свойств не могут быть полностью изучены. Чем больше вы пытаетесь определить положение частицы, тем больше вы уничтожаете информацию о ее импульсе, и наоборот. Если частица нестабильна, продолжительность ее жизни повлияет на то, насколько хорошо вы сможете узнать ее массу или внутреннюю энергию. И если частица имеет собственный спин, измерение ее спина в одном направлении уничтожает всю информацию, которую вы могли знать о том, как она вращается в других направлениях.

Электроны, как и все фермионы со спином 1/2, имеют две возможные ориентации спина при помещении в магнитное … [+] поле. Проведение подобного эксперимента определяет их ориентацию спина в одном измерении, но в результате уничтожает любую информацию об ориентации их спина в двух других измерениях. Это неприятное свойство, присущее квантовой механике.

Фонд CK-12 / Wikimedia Commons

Если вы измеряете его в определенный момент времени, информация о его будущих свойствах не может быть известна с произвольной точностью, даже если законы, управляющие этим, полностью понятны.В квантовой Вселенной многим физическим свойствам присуща фундаментальная неопределенность.

Но это не во всем. Квантовые правила, управляющие Вселенной, более сложны, чем просто противоречащие интуиции части, такие как неопределенность Гейзенберга.

Иллюстрация между внутренней неопределенностью между положением и импульсом на квантовом уровне …. [+] Есть предел тому, насколько хорошо вы можете измерить эти две величины одновременно, и неопределенность проявляется там, где люди часто меньше всего этого ожидают.

Э. Сигель / пользователь Wikimedia Commons Maschen

Вселенная состоит из квантов — тех компонентов реальности, которые нельзя разделить на более мелкие компоненты. Самая успешная модель этих мельчайших фундаментальных компонентов, составляющих нашу реальность, приходит к нам в форме творчески названной Стандартной модели.

В Стандартной модели есть два отдельных класса квантов:

1. частицы, составляющие материю и антивещество в нашей материальной Вселенной, и
2. частицы, ответственные за силы, управляющие их взаимодействием.

Первый класс частиц известен как фермионы, а второй класс известен как бозоны.

Частицы стандартной модели с массами (в МэВ) вверху справа. Фермионы составляют … [+] три крайних левых столбца и обладают полуцелыми спинами; бозоны заполняют два столбца справа и имеют целочисленные спины. Хотя все частицы имеют соответствующую античастицу, только фермионы могут быть материей или антивеществом.

Пользователь Wikimedia Commons MissMJ, PBS NOVA, Fermilab, Управление науки, Министерство энергетики США, Группа данных по частицам

Несмотря на то, что в квантовой Вселенной многие свойства имеют внутреннюю неопределенность, есть некоторые свойства, которые мы можем точно знать.Мы называем эти числа квантовыми числами, которые сохраняются не только в отдельных частицах, но и во Вселенной в целом. В частности, к ним относятся такие свойства, как:

• электрический заряд,
• цветной заряд,
• магнитный заряд,
• угловой момент,
• барионное число,
• лептонное число,
• и семейный номер лептонов.

Насколько мы можем судить, эти свойства всегда сохраняются.

Кварки, антикварки и глюоны стандартной модели имеют цветной заряд в дополнение ко всем … [+] другим свойствам, таким как масса и электрический заряд, которыми обладают другие частицы и античастицы. Все эти частицы, насколько мы можем судить, действительно точечные и бывают трех поколений. При более высоких энергиях возможно, что будут существовать еще дополнительные типы частиц, но они будут выходить за рамки описания Стандартной модели.

Э.Сигел / За гранью галактики

Кроме того, есть несколько других свойств, которые сохраняются при сильных и электромагнитных взаимодействиях, но сохранение которых может быть нарушено слабыми взаимодействиями. К ним относятся

• слабый гиперзаряд,
• слабый изоспин,
• и числа ароматов творога (например, странность, очарование, низменность или верховность).

Каждая существующая квантовая частица имеет определенные разрешенные значения этих квантовых чисел.Некоторые из них, например, электрический заряд, никогда не меняются, поскольку у электрона всегда будет электрический заряд -1, а у ап-кварка всегда будет электрический заряд +. Но другие, такие как угловой момент, могут принимать различные значения, которые могут быть либо + ½ или -½ для электрона, или -1, 0 или +1 для W-бозона.

Паттерн слабого изоспина, T3, и слабого гиперзаряда, Y_W, и цветового заряда всех известных элементарных … [+] частиц, повернутых на угол слабого смешивания, чтобы показать электрический заряд Q примерно по вертикали.Нейтральное поле Хиггса (серый квадрат) нарушает электрослабую симметрию и взаимодействует с другими частицами, придавая им массу.

Cjean42 из Wikimedia Commons

У всех частиц, составляющих материю, известных как фермионы, есть аналоги из антивещества: антифермионы. Бозоны, которые отвечают за силы и взаимодействия между частицами, не являются ни материей, ни антивеществом, но могут взаимодействовать как с ними, так и с самими собой.

Мы рассматриваем эти взаимодействия как обмен бозонами между фермионами и / или антифермионами.Вы можете заставить фермион взаимодействовать с бозоном и дать начало другому фермиону; вы можете заставить взаимодействовать фермион и антифермион и дать начало бозону; вы можете заставить антифермион взаимодействовать с бозоном и дать начало другому антифермиону. Пока вы сохраняете все полные квантовые числа, которые требуются для сохранения и соблюдения правил, установленных частицами и взаимодействиями Стандартной модели, все, что не запрещено, неизбежно произойдет с некоторой конечной вероятностью.

Характерные сигналы аннигиляции позитронов и электронов при низких энергиях, линия фотонов 511 кэВ… [+] был тщательно измерен спутником ЕКА INTEGRAL.

J. Knödlseder (CESR) и группа SPI; обсерватория ИНТЕГРАЛ ЕКА

Перед тем, как мы перечислим все свойства электрона, важно отметить, что это просто лучшее понимание того, из чего состоит Вселенная на фундаментальном уровне. Мы не знаем, есть ли более фундаментальное описание; мы не знаем, будет ли когда-нибудь Стандартная модель заменена более полной теорией; мы не знаем, есть ли дополнительные квантовые числа и когда они могут быть (а могут и не сохраняться); мы не знаем, как включить гравитацию в Стандартную модель.

Хотя это всегда должно быть само собой разумеющимся, это требует явного указания здесь: эти свойства обеспечивают лучшее описание электрона в том виде, в каком мы его знаем сегодня. В будущем они могут оказаться неполным описанием или лишь приблизительным описанием того, что на самом деле представляет собой электрон (или более фундаментальная сущность, составляющая нашу реальность).

Эта диаграмма отображает структуру стандартной модели (таким образом, чтобы более полно и менее вводить в заблуждение отображали ключевые … [+] отношения и закономерности, чем на более знакомом изображении, основанном на квадрате частиц 4×4).В частности, эта диаграмма изображает все частицы в Стандартной модели (включая их буквенные названия, массы, спины, направленность, заряды и взаимодействия с калибровочными бозонами, то есть с сильными и электрослабыми силами).

Латам Бойл и Мардус из Wikimedia Commons

С учетом сказанного, электрон равен:

• фермион (а не антифермион),
• с электрическим зарядом -1 (в единицах основного электрического заряда),
• с нулевым магнитным зарядом
• и нулевой цветной заряд,
• с фундаментальным собственным угловым моментом (или вращением) 1/2, что означает, что он может принимать значения + 1/2 или -½,
• с барионным числом 0,
• с лептонным числом +1,
• с числом лептонного семейства +1 в электронном семействе, 0 в мюонном семействе и 0 в тау-семействе,
• со слабым изоспином -½,
• и со слабым гиперзарядом -1.

Это квантовые числа электрона. Он действительно связан со слабым взаимодействием (и, следовательно, с бозонами W и Z) и электромагнитным взаимодействием (и, следовательно, с фотоном), а также с бозоном Хиггса (и, следовательно, он имеет ненулевую массу покоя). Он не связан с сильным взаимодействием и, следовательно, не может взаимодействовать с глюонами.

Эксперимент с пучком позитрония в Университетском колледже Лондона, показанный здесь, объединяет электроны и … [+] позитроны для создания квазиатома, известного как позитроний, который распадается со средним временем жизни примерно 1 микросекунда.Продукты распада хорошо предсказываются Стандартной моделью и обычно переходят в 2 или 3 фотона, в зависимости от относительных спинов электрона и позитрона, составляющих позитроний.

Если электрон и позитрон (который имеет одни и те же квантовые числа, а некоторые квантовые числа противоположны) взаимодействуют, существует конечная вероятность того, что они будут взаимодействовать либо посредством электромагнитного, либо посредством слабого взаимодействия.

В большинстве взаимодействий будет преобладать возможность того, что электроны и позитроны будут притягиваться друг к другу из-за их противоположных электрических зарядов.Они могут образовывать нестабильную атомоподобную сущность, известную как позитроний, где они становятся связанными вместе, подобно тому, как связываются вместе протоны и электроны, за исключением того, что электрон и позитрон имеют равную массу.

Однако, поскольку электрон — это материя, а позитрон — антивещество, они также могут аннигилировать. В зависимости от ряда факторов, таких как их относительные спины, существуют конечные вероятности того, как они распадутся: на 2, 3, 4, 5 или большее количество фотонов. (Но чаще всего встречаются 2 или 3.)

Остальные массы фундаментальных частиц во Вселенной определяют, когда и при каких … [+] условиях они могут быть созданы, а также описывают, как они будут искривлять пространство-время в общей теории относительности. Свойства частиц, полей и пространства-времени необходимы для описания Вселенной, в которой мы живем.

Рис. 15-04a с сайта universe-review.ca

Когда вы подвергаете электрон воздействию электрического или магнитного поля, фотоны взаимодействуют с ним, изменяя его импульс; Проще говоря, это означает, что они вызывают ускорение.Поскольку у электрона также есть связанная с ним масса покоя, благодаря его взаимодействию с бозоном Хиггса, он также ускоряется в гравитационном поле. Однако Стандартная модель не может объяснить это, как и никакая квантовая теория, о которой мы знаем.

Пока у нас не будет квантовой теории гравитации, мы должны взять массу и энергию электрона и поместить их в общую теорию относительности: нашу неквантовую теорию гравитации. Этого достаточно, чтобы дать нам правильный ответ для каждого эксперимента, который мы смогли спланировать, но он потерпит неудачу на каком-то фундаментальном уровне.Например, если вы спросите, что происходит с гравитационным полем одиночного электрона, когда он проходит через двойную щель, общая теория относительности не имеет ответа.

Волновая диаграмма для электронов, проходящих через двойную щель, по одному. Если вы измеряете, через какую… [+] щель проходит электрон, вы разрушаете квантовую интерференционную картину, показанную здесь. Правила Стандартной модели и Общей теории относительности не говорят нам, что происходит с гравитационным полем электрона, когда он проходит через двойную щель; для этого потребуется нечто, выходящее за рамки нашего нынешнего понимания, например квантовая гравитация.

Доктор Тономура и Белсазар из Wikimedia Commons

Электронов — невероятно важные компоненты нашей Вселенной, так как их примерно 10 ⁸⁰ содержится в нашей наблюдаемой Вселенной. Они необходимы для сборки атомов, которые образуют молекулы, людей, планеты и многое другое, и используются в нашем мире для всего, от магнитов до компьютеров и макроскопических ощущений прикосновения.

Но причина, по которой они обладают такими свойствами, заключается в фундаментальных квантовых правилах, управляющих Вселенной.Стандартная модель — лучшее описание этих правил на сегодняшний день, и она также дает лучшее описание способов, которыми электроны могут и действительно взаимодействуют, а также описывает, каким взаимодействиям они не могут подвергнуться.

Однако, почему электроны обладают именно этими свойствами, выходит за рамки Стандартной модели. Несмотря на все, что мы знаем, мы можем только описать, как устроена Вселенная. Почему это работает именно так, все еще остается открытым вопросом, на который у нас нет удовлетворительного ответа.Все, что мы можем сделать, это продолжить расследование и найти более фундаментальный ответ.

---

Присылайте свои вопросы «Задайте Итану» на адрес startwithabang на gmail dot com!

4.8: Электроны — Химия LibreTexts

Осторожно! Молния чрезвычайно опасна. Одна молния может нести миллиард вольт электричества. Этой энергии хватит, чтобы зажечь 100-ваттную лампочку на три месяца! Каким бы впечатляющим это ни было, молния — это не что иное, как внезапный поток чрезвычайно крошечных частиц.Какие частицы попадают в разряд молнии? Ответ — электроны.

Что такое электроны?

Электроны — один из трех основных типов частиц, из которых состоят атомы. Два других типа — протоны и нейтроны. В отличие от протонов и нейтронов, которые состоят из более мелких и простых частиц, электроны являются элементарными частицами, которые не состоят из более мелких частиц. Это тип элементарной частицы, называемой лептоном. Все лептоны имеют электрический заряд \ (- 1 \) или \ (0 \).

Свойства электронов

Электроны очень маленькие. Масса электрона составляет всего около 1/2000 массы протона или нейтрона, поэтому электроны практически ничего не вносят в общую массу атома. Электроны имеют электрический заряд \ (- 1 \), который равен, но противоположен заряду протона, который равен \ (+ 1 \). Все атомы имеют такое же количество электронов, что и протоны, поэтому положительный и отрицательный заряды нейтрализуются, делая атомы электрически нейтральными.

Где электроны?

В отличие от протонов и нейтронов, которые находятся внутри ядра в центре атома, электроны находятся вне ядра.Поскольку противоположные электрические заряды притягиваются друг к другу, отрицательные электроны притягиваются к положительному ядру. Эта сила притяжения заставляет электроны постоянно двигаться через пустое пространство вокруг ядра. На приведенном ниже рисунке показан общий способ представления структуры атома. Он показывает электрон как частицу, вращающуюся вокруг ядра, подобно тому, как планеты вращаются вокруг Солнца. Однако это неверная точка зрения, поскольку квантовая механика демонстрирует, что электроны более сложны.

Орбитали

Модель атома на рисунке выше полезна для некоторых целей, но слишком проста, когда дело касается расположения электронов. На самом деле невозможно определить, по какому пути пойдет электрон. Вместо этого можно описать только шансы найти электрон в определенной области вокруг ядра. Область, где вероятнее всего находится электрон, называется орбиталью. Каждая орбиталь может иметь не более двух электронов. Некоторые орбитали, называемые \ (s \) орбиталями, имеют форму сфер с ядром в центре.Орбиталь \ (s \) изображена на рисунке ниже. Там, где точки более плотные, шанс найти электрон больше. На рисунке ниже также изображена орбиталь \ (p \). \ (p \) орбитали имеют форму гантелей, с ядром в зажатой части гантели.

Какой у вас уровень энергии?

Электроны расположены на фиксированных расстояниях от ядра, называемых энергетическими уровнями. Вы можете увидеть первые три уровня энергии на рисунке ниже. На диаграмме также показано максимально возможное количество электронов на каждом уровне энергии.

• Электроны на более низких уровнях энергии, которые ближе к ядру, имеют меньшую энергию. На самом низком энергетическом уровне, который имеет наименьшую энергию, есть только одна орбиталь, поэтому этот энергетический уровень имеет максимум два электрона.
• Только при заполнении нижнего энергетического уровня электроны добавляются к следующему нижнему энергетическому уровню. Электроны на более высоких уровнях энергии, которые дальше от ядра, имеют больше энергии. У них также больше орбиталей и большее возможное количество электронов.
• Электроны на внешнем энергетическом уровне атома называются валентными электронами. Они определяют многие свойства элемента. Это потому, что эти электроны участвуют в химических реакциях с другими атомами. Атомы могут разделять или передавать валентные электроны. Общие электроны связывают атомы вместе, образуя химические соединения.

Сводка

• Электроны — это один из трех основных типов частиц, составляющих атом. Они чрезвычайно малы и имеют электрический заряд \ (- 1 \).Все атомы имеют такое же количество электронов, что и протоны.
• Отрицательные электроны присоединяются к положительному ядру. Эта сила притяжения заставляет электроны постоянно двигаться вокруг ядра. Область, где наиболее вероятно обнаружение электрона, называется орбиталью.
• Электроны расположены на фиксированных расстояниях от ядра, называемых энергетическими уровнями. Электроны на более низких уровнях энергии имеют меньше энергии, чем электроны на более высоких уровнях энергии.

Узнать больше

Изучите открытие электронов по следующим URL-адресам, а затем ответьте на вопросы ниже.

1. Кто открыл электроны? Когда они были обнаружены?

2. Опишите, как были открыты электроны.

3. Каково значение открытия электронов?

4. Где, по мнению Томсона, находятся электроны в атоме? Чем это отличается от современного взгляда на электроны, представленного выше?

Авторы и ссылки

• Фонд CK-12 Шэрон Бьюик, Ричард Парсонс, Тереза ​​Форсайт, Шонна Робинсон и Жан Дюпон.

Модель электронного облака

, теория и примеры | Что такое электронное облако? — Видео и стенограмма урока

Модель электронного облака: что описывает модель электронного облака?

Давайте посмотрим на простой атом, чтобы увидеть, что описывает модель электронного облака. У атома водорода есть один протон и один электрон. Классическая и, вероятно, более знакомая модель атома водорода выглядит так:

Ядро, выделенное красным, представляет собой одиночный протон, а электрон, отмеченный желтым, вращается вокруг него по круговой траектории.

Эта модель показывает путь электрона в виде круга вокруг ядра, вращающегося вокруг него, как Луна вращается вокруг Земли. Это не совсем так; фактически, мы говорим, что электрон вращается вокруг ядра. Однако это не полная модель, поскольку она не соответствует всем нашим наблюдениям за поведением атомов и электронов. Лучшая модель рассматривает орбиту электрона как облако, где его положение не определено и существует как вероятность.

В модели электронного облака ядро ​​все еще находится в центре, но выборы не имеют заданного пути вокруг него.

Облако более плотное около ядра, поэтому вероятность того, что электрон будет поблизости, выше, чем где-либо еще. Обратите внимание, что в этой модели все еще есть один протон и один электрон в атоме водорода. Это также направляет электрон на путь вокруг ядра. Модель электронного облака делает две вещи, которых нет в других моделях.Он признает неопределенность положения электрона и решает часть этой неопределенности для нас. Он соответствует большему количеству наших наблюдений в реальном мире, которые не могут быть учтены более ранними моделями.

Диаграмма электронного облака

Как показано здесь, электронное облако находится очень близко к ядру, и его поле вероятности быстро исчезает.

Теории, лежащие в основе модели электронного облака

Модель электронного облака представляет собой комбинацию нескольких различных теорий.Во-первых, это принцип неопределенности Вернера Гейзенберга , который гласит, что импульс и положение частицы не могут быть известны с произвольной точностью. То есть после определенного момента, чем точнее мы можем измерить одно, тем меньше мы знаем о другом. Далее, концепция Эрвина Шредингера о волновой функции показывает, что мы можем рассматривать каждую частицу как сложное значение, которое описывает ее положение и энергию, и это можно интерпретировать как вероятность. Обе эти концепции подпадают под действие книги Quantum Physics , разработанной ранее Альбертом Эйнштейном, Нильсом Бором, Максом Планком и другими.{-31} \: kg {/ eq}, поэтому их поведение объясняется в основном квантовой физикой. Итак, для электрона действует принцип неопределенности, и мы можем с уверенностью рассматривать его как волновую функцию. С правильной математикой мы можем описать положение электрона как поле вероятности, обычно распределенное вокруг ядра атома. Волновая функция электрона также объясняет, почему электрон не болтается в ядре . Энергия, необходимая для его поддержания, слишком высока.

Кто создал модель электронного облака?

Эрвин Шредингер предложил модель электронного облака, хотя он опирался на предыдущие работы для развития теории.Одним из первых участников была идея Луи де Бройля о том, что дуальность частица-волна применяется как к свету, так и к частицам материи, позволяя частицам с массой, таким как электроны, даже иметь волновую функцию. Шредингер также основывался на модели атома Нильса Бора, в которой электроны вращались вокруг ядра по круговым траекториям, но при этом они могли быть возбуждены до более высоких уровней энергии.

В 1926 году Шредингер разработал свою модель волновой функции, которая дает вероятность того, что электрон находится в определенном месте.В апреле 1926 года он писал Альберту Эйнштейну: «Вся эта концепция полностью укладывается в рамки волновой механики ». Волновая функция Шредингера была особенно интересной для физического сообщества в целом, потому что она дополняла тогда новую математику Гейзенберга для определения положения и энергии квантовых частиц, а не исправляла или опровергала ее.

Шредингер создал модель электронного облака, чтобы объяснить некоторые неизвестные в квантовой физике, но он знал, что она не объясняет всего.Ему не нравилось, что его уравнение напрямую не описывает свойства частицы и даже не определяет, что такое волновая функция. Модель электронного облака была построена как компромисс, оставив некоторые неизвестные, но стерев некоторые другие. Со временем, возможно, появится лучшая модель.

Принцип неопределенности Гейзенберга

В 1927 году Гейзенберг понял, что существует неотъемлемая неопределенность при измерении квантовых частиц. Его мысленный эксперимент описал попытку измерить положение очень маленькой частицы с помощью микроскопа.Для наблюдателя, чтобы сделать это, свет отразился бы от квантовой частицы, но этого фотона света было бы достаточно, чтобы изменить направление такой маленькой частицы. Это означало бы, что его направление или импульс теперь были бы неправильными, и наблюдатель не знал бы, насколько точно. Более точные измерения положения квантовой частицы потребуют более мощного микроскопа, то есть фотонов с более высокой энергией, что означает большую неопределенность в отношении импульса частицы после наблюдения. Гейзенберг понял, что это важный компонент квантовой физики, а не ограничение.

Отсюда он вычислил, что произведение неопределенностей положения частицы и импульса имеет минимальное значение (половину постоянной Планка). По мере того, как один становится меньше, другой становится больше, и ни один из них не может быть нулевым.

Волновая функция Шредингера

Шредингер разработал идею волновой функции в начале 1926 года. Уравнение Шредингера содержит информацию о положении частицы, энергии и других свойствах, но фактически не дает им значений.{-31} \: кг {/ экв}. Точное положение электрона неизвестно. Вместо этого мы можем рассчитать вероятность того, что электрон находится в определенной области. Эта область интереса называется электронным облаком . Внутри этого облака мы можем вычислить, где «вероятно» находится электрон. Хороший наглядный пример электронного облака — простой атом, такой как водород. В атоме водорода ядро ​​состоит из одного протона, а один электрон вращается вокруг него. Но электрон буквально не вращается вокруг него по круговой траектории.Вместо этого существует облако возможных мест для электрона, и это облако толще там, где вероятность больше. В атоме водорода это облако представляет собой сферу вокруг ядра, которая становится тоньше по мере удаления.