Elektron

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Skocz do: nawigacji, wyszukiwania
Ujednoznacznienie Ten artykuł dotyczy cząstki elementarnej. Zobacz też: inne artykuły o tej nazwie.
elektron
Symbol e
Klasyfikacja lepton, fermion
Ładunek e

1,602176565(40)×10−19 C[1]

Masa 5,485 799 09(27)×10−4 u[2][3]

9,10938291(40)×10−31 kg[4]

0,510 998 918(44) MeV/c²

Czas życia T1/2 trwała
Spin 1/2
Antycząstka pozyton

Elektron, negaton, e, \beta^- – trwała cząstka elementarna (lepton) będąca jednym z elementów atomu.

Elektron ma ładunek elektryczny równy e = −1,602 176 565(35)×10−19 C (ujemny ładunek elektryczny elementarny – stąd też nazwa negaton) i masę spoczynkową me≈9,109 382 91×10−31 kg.

Rozmiary liniowe elektronu[edytuj | edytuj kod]

Obecnie nie wiadomo, czy elektron ma jakąkolwiek strukturę wewnętrzną. Wielokrotnie powtarzane eksperymenty w największych akceleratorach, polegające na zderzaniu ze sobą przeciwbieżnych wiązek elektronów rozpędzonych do prędkości bliskich prędkości światła, nie dały argumentów za istnieniem struktury wewnętrznej. W zderzeniach traktowanych klasycznie elektron zachowuje się jak kulka o promieniu 2,817 940 2894 x 10-15 m[5] (klasyczny promień elektronu). Doświadczenia z pułapkowaniem elektronów w polu magnetycznym wykazały, że promień elektronu jest mniejszy niż 10−22 m[6].

Historia odkrycia elektronu[edytuj | edytuj kod]

Nazwę elektron wprowadził George Johnstone Stoney w 1891, dla elementarnej jednostki elektryczności ujemnej w procesie elektrolizy. Jako cząstka posiadająca ładunek ujemny oraz masę elektron został zaobserwowany w roku 1897 przez J.J. Thomsona podczas badania własności promieniowania katodowego uznał, że promieniowanie katodowe jest strumieniem cząstek o ładunku ujemnym, które obecnie nazywamy elektronami.

W 1916 Gilbert Newton Lewis zauważył, że własności chemiczne atomów wynikają z oddziaływań elektronów zawartych w atomach.

Elektron w atomie[edytuj | edytuj kod]

Pierwsze powłoki elektronowe w atomie wodoru. Jasność odpowiada prawdopodobieństwu znalezienia elektronu

Elektrony w atomach zajmują określony obszar w przestrzeni wokół stosunkowo małego dodatniego jądra. Obszary zajmowane przez elektrony nazywają się orbitalami. Orbitale z kolei zgrupowane są w powłoki elektronowe. Parametry każdego orbitalu (energia, kształt) zdeterminowane są przez energię elektromagnetycznego oddziaływania z jądrem atomu i pozostałymi elektronami oraz parametry elektronu. Rozmiary orbitali atomowych są rzędu 10–10 m czyli dziesiątej części nanometra, ale dla stanów wzbudzonych mogą być kilkadziesiąt razy większe. Orbitale elektronowe są od 10 do 100 tysięcy razy większe od jądra atomowego, którego średnica wynosi od 10–15 do 10–14 m, co odpowiada długości femtometra.

Obojętny atom ma tyle samo protonów w jądrze (ładunek dodatni) co elektronów (ładunek ujemny). Atom może być zjonizowany w wyniku oderwania od niego elektronu, albo przez przyłączenie elektronu, wtedy liczba protonów jest różna od liczby elektronów. Dostarczenie energii z zewnątrz powoduje wzbudzenie elektronów do wyższych stanów, bądź jonizację atomu (oderwanie elektronu). Zwykle w procesach takich wzbudzane są tylko elektrony z najwyższych powłok zwanych walencyjnymi, jednak promieniowanie o dużej energii wzbudza lub odrywa od atomu elektrony z głębszych powłok (patrz np. ekscyton Mahana – osobliwość w widmie na krawędzi Fermiego, z ang. Fermi-edge singularity lub promieniowanie charakterystyczne).

Zachowanie elektronów na powłokach atomowych determinuje własności atomów w reakcjach chemicznych.

Elektron w fizyce materii skondensowanej[edytuj | edytuj kod]

Elektron odgrywa ogromną rolę w zjawiskach dotyczących materii skondensowanej. Wynika to przede wszystkim stąd, że oddziaływania elektromagnetyczne stanowią dominujący czynnik wpływający na własności układów fizycznych w zakresach energii i odległości charakterystycznych materii ciała stałego i cieczy.

Głównymi cząstkami biorącymi udział oddziaływaniach w fizyce materii skondensowanej są rdzenie atomowe oraz elektrony walencyjne i swobodne oraz dziury. Ze względu na to, że w fizyce materii skondensowanej, by uprościć opis ruchu elektronu lub dziury, pomija się ich oddziaływanie z polem rdzeni atomowych. Równocześnie, aby równania ruchu elektronu pozostawały prawdziwe, zamiast masy elektronu wprowadza się jego masą efektywną. Jest ona zwykle różna od masy elektronu swobodnego, a w materiałach anizotropowych masa efektywna jest tensorem.

W fizyce ciała stałego elektrony i oddziaływania elektromagnetyczne są odpowiedzialne za tworzenie się wiązań w kryształach, a tym samym wpływają na własności sieci krystalicznej.

Przez elektron w fizyce materii skondensowanej (dotyczy to zarówno materii miękkiej i fizyki ciała stałego) rozumie się zwykle kwazicząstkę o zrenormalizowanych własnościach (patrz np. ciecz Fermiego, ciecz Luttingera, stany Pankratowa, funkcja Blocha, masa efektywna). Chcąc wyrażać się ściśle, należałoby mówić np. elektron w ciele stałym, jednak zwykle zakłada się, że fakt mówienia o kwazicząstce wynika z kontekstu, w jakim używa się sformułowania elektron.

Relacja dyspersji elektronu zależy od struktury pasmowej i modelu jaki używany jest do opisu konkretnego zjawiska. W najprostszych modelach przyjmuje się kwadratową zależność dyspersyjną (np. niektóre półprzewodniki) i wprowadza nieparaboliczne poprawki. W metalach, gdzie mamy do czynienia z częściowo wypełnionym pasmem przewodnictwa, bardzo często stosuje się model, w którym relacja dyspersji jest liniowa (liniowe rozwinięcie relacji dyspersji wokół powierzchni Fermiego).

Przybliżenie takie jest słuszne, gdy rozważane jest niskoenergetyczne wzbudzenia cząstka-dziura wokół powierzchni Fermiego.

Elektron w fizyce ciała stałego przedstawiany jest w różnych reprezentacjach. Podstawowymi z nich są

  • funkcje Blocha
  • funkcje Wanniera
  • funkcje Luttingera.

Efektami, w których manifestują się własności elektronowe w materii skondensowanej są tutaj tunelowanie elektronów wykorzystywane w układach półprzewodnikowych oraz skaningowym mikroskopie tunelowym, ale także wiele innych własności i zjawisk jak

Elektron w mechanice kwantowej[edytuj | edytuj kod]

Zjawiska zachodzące z udziałem elektronów zwykle należą do mechaniki kwantowej i jako takie podlegają zasadzie nieoznaczoności Heisenberga.

Elektron ma spin 1/2, jest więc zaliczany do fermionów i podlega statystyce Fermiego-Diraca. Wszystkie elektrony są całkowicie nierozróżnialne. Aby całkowicie opisać elektron, wystarczy podać jego stan kwantowy.

Antycząstką elektronu, tj. odpowiadającą elektronowi cząstką antymaterii, jest antyelektron, zwany krócej pozytonem (a często również elektronem dodatnim). Jeżeli spotka się elektron z antyelektronem dochodzi do anihilacji, w wyniku której ginie elektron i pozyton, a powstają dwa fotony promieniowania gamma (γ) o energii 0,511 MeV. Podczas zderzenia fotonu gamma o takiej lub większej energii może zajść zjawisko odwrotne: kwant gamma zostaje pochłonięty, a pojawia się pozyton i elektron.

Reakcje jądrowe z udziałem elektronu[edytuj | edytuj kod]

Cząstki elementarne
modelu standardowego
leptony
e μ τ
νe νμ ντ
kwarki
u c t
d s b
bozony cechowania
γ Z0 W
B0 gluon
bozony Higgsa
H0

Elektron może brać udział w reakcjach jądrowych. Elektron może być emitowany z jądra atomowego – nazywany jest wówczas promieniowaniem beta (β) a przemiana jądrowa rozpad beta minus. Wyemitowane cząstki beta mają bardzo dużą energię i zdolność jonizacji materii. Niektóre jądra atomowe emitują antyelektrony, przemiana ta to rozpad beta plus.

Jądro atomowe może też pochłonąć elektron, jest to zazwyczaj elektron z najniższej powłoki elektronowej, przemiana taka nazywana jest wychwytem elektronu.

Elektron w teorii standardowej i modelu standardowym[edytuj | edytuj kod]

W modelu standardowym elektron jest cząstką elementarną pierwszej generacji i tworzy dublet z neutrinem elektronowym.

Elektron w klasyfikacji cząstek subatomowych jest zaliczany do leptonów. Elektron wchodzi w interakcje z innymi leptonami poprzez oddziaływania elektromagnetyczne i słabe.

Elektron w technice[edytuj | edytuj kod]

Elektrony mogą swobodnie poruszać się w próżni, co jest wykorzystywane w próżniowych lampach elektronowych. W innych środowiskach (np. powietrzu) ich ruch jest hamowany, bo przyłączają się do atomów substancji tworząc jony ujemne. W gazach szybko poruszające się elektrony mogą wywołać wzbudzenie atomu lub jego jonizację, a w konsekwencji emisję fotonów. Zjawisko to w przyrodzie jest przyczyną zorzy polarnej, zaś w technice znalazło zastosowanie w lampach wyładowczych (np. lampy jarzeniowe, tzw. świetlówki).

Zgodnie z teorią fal materii elektron może być postrzegany jako odpowiadająca mu fala materii. Może ona podlegać dyfrakcji i interferencji na przeszkodach. Ze względu na długość fali, znacznie mniejszą od długości fali świetlnej, elektrony nadają się doskonale jako czynnik przenoszący informację w mikroskopach. Mikroskop, w którym odpowiednikiem światła są elektrony, nazywa się mikroskopem elektronowym.

Makroskopowe zjawiska z udziałem elektronu[edytuj | edytuj kod]

Elektrony poruszające się w sposób uporządkowany w określonym kierunku, np. w polu elektrycznym powstałym w wyniku przyłożenia napięcia elektrycznego, stanowią prąd elektryczny.

WiktionaryPl nodesc.svg
Zobacz hasło elektron w Wikisłowniku
Wikinews-logo.svg
Zobacz wiadomość w serwisie Wikinews na temat Brytyjscy naukowcy zaobserwowali podział elektronów
Wikiquote-logo.svg
Zobacz w Wikicytatach kolekcję cytatów
o elektronie

Przypisy

  1. Elementary charge. W: The NIST Reference on Constants, Units, and Uncertainty [on-line]. National Institute of Standards and Technology, 2010. [dostęp 2012-07-10].
  2. Ludwika Tomala: Elektron można zważyć - odważył się na to m.in. Polak (pol.). Polska Agencja Prasowa, 28.02.2014. [dostęp 2014-03-11].
  3. S. Sturm, F. Köhler, J. Zatorski, A. Wagner, Z. Harman, G. Werth, W. Quint, C. H. Keitel & K. Blaum: High-precision measurement of the atomic mass of the electron (ang.). Nature, 27 luty 2014. [dostęp 2014-03-11]. s. Nature 506, 467–470.
  4. Electron mass. W: The NIST Reference on Constants, Units, and Uncertainty [on-line]. National Institute of Standards and Technology, 2010. [dostęp 2012-07-10].
  5. classical electron radius. [dostęp 2010-02-22].
  6. Hans Dehmelt. A Single Atomic Particle Forever Floating at Rest in Free Space: New Value for Electron Radius. „Physica Scripta”. T22, s. 102–110, 1988. doi:10.1088/0031-8949/1988/T22/016.