Что такое электрон?

Этимология и история открытия

Название «электрон» происходит от греческого слова ἤλεκτρον, означающего «янтарь»: ещё в древней Греции естествоиспытателями проводились эксперименты — куски янтаря тёрли шерстью, после чего те начинали притягивать к себе мелкие предметы. Термин «электрон» как название фундаментальной неделимой единицы заряда в электрохимии был предложен Дж. Дж. Стоуни ( англ. ) в 1894 (сама единица была введена им в 1874). Открытие электрона как частицы принадлежит Э. Вихерту и Дж. Дж. Томсону, который в 1897 установил, что отношение заряда к массе для катодных лучей не зависит от материала источника.

Открытие волновых свойств. Согласно гипотезе де Бройля (1924), электрон (как и все другие материальные микрообъекты) обладает не только корпускулярными, но и волновыми свойствами.. В соответствии с этим электроны, подобно свету, могут испытывать интерференцию и дифракцию. Волновые свойства электронов были экспериментально обнаружены в 1927 американскими физиками К. Дэвиссоном и Л. Джермером (Опыт Дэвиссона — Джермера) и независимо английским физиком Дж. П. Томсоном.

Атомная теория

К 1914 г. на основе физических экспериментов, проведёнными Эрнестом Рутерфордом, Генри Мозли, Джеймсом Франком и Густавом Герцем была в основном установлена структура атома. Атом состоит из плотного малого по размерам положительно заряженного ядра, и окружающих его в виде облака электронов. В 1913 г. датский физик Нильс Бор постулировал, что электроны в атоме находятся в квантованных энергетических состояниях, энергии которых зависят от момента импульса электронов на орбитах возле ядра. Изменение энергетических состояний электрона и переход из одного состояния в другое сопровождается поглощением или излучением фотонов соответствующей энергии и частоты. На основе такого подхода Бор весьма точно объяснил спектральные линии водорода, возникающие при пропускании импульсов электрического тока или при нагревании водородного газа. [14] Однако модель атома Бора не позволяет найти относительные интенсивности спектральных линий и становится малопригодной при объяснении спектров более сложных атомов.

Химические связи между атомами были объяснены в 1916 г. Льюисом (GilbertNewtonLewis) в том предположении, что ковалентная связь возникает в результате обмена двумя электронами между атомами.  В 1923 г. WalterHeitler и FritzLondon дали обоснование образованию электронных пар и химической связи с помощью квантовой механики. Несколько ранее, в 1919 г. американский химик Ирвин Ленгмюр (IrvingLangmuir) развил статическую модель атома Льюиса и предположил, что электроны распределяются концентрическими сферами одинаковой толщины.  Атомные электронные оболочки в свою очередь разделены на ячейки, содержащие по два электрона. В этой модели Ленгмюру удалось объяснить качественно химические свойства всех атомов в периодической таблице. Как известно, свойства химических элементов повторяются в каждой последующей строке таблицы Менделеева согласно периодическому закону.

В 1924 г. австрийский физик Вольфганг Паули нашёл, что оболочечная структура атома может быть описана набором из четырёх параметров, определяющих квантовое состояние, причём у каждого электрона согласно принципу Паули своё собственное квантовое состояние. Один из параметров, имеющих два возможных значения, был выражен Дж. Уленбеком и С. Гаудсмитом через собственный момент импульса или спин электрона.

С помощью спина стало возможным объяснить расщепление спектральных линий и их тонкую структуру, наблюдаемую в спектрографах высокого разрешения.

Квантовая механика

В своей диссертации 1924 г. Recherchessurlathéoriedesquanta, французский физик Луи де Бройль высказал гипотезу о том, что материальные частицы имеют двойственную природу, обнаруживая свойства и частицы и волны одновременно.Свет также имеет дуальную природу, проявляясь как волна, а также и в виде частиц – фотонов. Волны, связанные с движением частиц, носят название волны де Бройля. Длина волны де Бройля обнаруживается в экспериментах с электронами и другими частицами, с размерами вплоть до атомов. Можно считать, что частица проявляет свои корпускулярные свойства, пока её положение в пространстве определено в каждый момент времени, видна траектория движения и её изменение под действием сил. Волновые свойства света хорошо видны при интерференции света на параллельных щелях. В 1927 г. интерференционный эффект на пучке электронов обнаружил английский физик Георг Томсон (GeorgePagetThomson) с помощью тонкой металлической плёнки. В это же время американские физики Клинтон Дэвиссон (ClintonDavisson) и ЛестерДжермер (LesterGermer) нашли волновые свойства электронов, используя кристалл никеля.

Успех гипотезы де Бройля привёл в 1926 г. к публикации Эрвином Шрёдингером его знаменитого уравнения, описывающего распространение электронных волн. Волновое уравнение определяет не кинематическое движение центра электрона как частицы, а предсказывает вероятность его нахождения в каждой точке пространства в заданный момент времени. Такой подход к описанию явлений получил название квантовая механика и был успешно применён при вычислении энергетических состояний электрона в атоме водорода. В 1927 г. Паули ввёл в квантовую теорию спин, что с учётом взаимодействия электронов друг с другом дало возможность объяснить и конфигурации многоэлектронных атомов. Здесь однако возникает трудность в связи с существенным усложнением уравнений для волновой функции, так что их приходится решать численно либо получать упрощенные выражения, не всегда дающие желательную точность. В 1928 г. на основе работ Паули английский физик Поль Дирак сформулировал уравнение Дирака, описывающее релятивистское движение электрона.  С целью разрешить некоторые проблемы с его релятивистским уравнением, в 1930 г. Дирак предложил модель вакуума с бесконечным множеством частиц, имеющих отрицательную энергию, которая получила название море Дирака. Это привело его к предсказанию существования позитрона, являющегося античастицей по отношению к электрону.  Позитрон был открыт в 1932 г. Карлом Андерсеном (Carl D. Anderson). Он предложил называть отрицательно заряженные электроны негатронами, а положительно заряженные электроны позитронами. Иногда название ‘негатрон’ используется, в том числе и в виде ‘негатон’.

Первое экспериментальное отклонение от теории Дирака было обнаружено в 1947 г. в опыте Лэмба (WillisEugeneLamb) и Ризерфорда (RobertRetherford), который показал так называемый лэмбовский сдвиг между различными квантовыми состояниями электрона с одной и той же энергией в атоме водорода. Одновременно с этим PolykarpKusch, работавший с Henry M. Foley, открыл, что магнитный момент электрона несколько превышает значение, вытекающее из теории Дирака. Позднее эта малая добавка была названа аномальным магнитным дипольным моментом электрона. Для её объяснения была развита соответствующая версия квантовой электродинамики, авторами которой стали Томонага, Швингер и Фейнман.

Ускорители частиц

Развитие ускорителей частиц началось в первой половине 20 века и привело физиков к значительному углублению знаний о субатомных частицах. Первая успешная попытка ускорения электронов с помощью магнитного поля была сделана в 1942 г. Дональдом Керстом (DonaldKerst). Его бетатрон достиг энергии электронов 2,3 МэВ (миллион электронвольт), последующие подобные ускорители достигли энергии 300 МэВ. В 1947 на синхротроне фирмы Дженерал Электрик было открыто синхротронное излучение с энергией 70 МэВ. Такое излучение возникает при ускорении электронов, движущихся почти со скоростью света в магнитном поле.

Первый высокоэнергичный коллайдер с энергией пучка 1,5 ГэВ под названием ADONE начал функционировать в 1968 г. Это устройство ускоряло электроны и позитроны во встречных пучках, что существенно увеличивало эффективную энергию столкновений частиц по сравнению с одним пучком и неподвижной мишенью. Большой электронно-позитронный коллайдер в CERN во время работы с 1989 по 2000 гг. достиг энергии столкновений порядка 209 ГэВ, подтвердив многие предсказания стандартной модели физики элементарных частиц.

Структура

Но из чего состоит электрон? На данный момент современная наука не может дать ответ на этот вопрос. До недавнего времени он считался неделимой фундаментальной частицей, сейчас же ученые склоняются к тому, что он состоит из еще более мелких структур.

Удельный заряд электрона также считался элементарным, но теперь открыты кварки, имеющие дробный заряд. Существует несколько теорий относительно того, из чего состоит электрон.

Сегодня можно увидеть статьи, в которых заявляется, что ученым удалось разделить электрон. Однако это верно лишь отчасти.

Свойства электрона

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

Масса электрона

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.

Модуль заряда электрона назвали элементарным электрическим зарядом. Его обозначают е. Измерения показали, что e = 1,6 • 10 19 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 = mec2 = 9,109 • 10-31 • (3 • 108 )2 = 8,2 • 10-14 Дж = 0,511 • 106 эВ ≈ 0,511 МэВ

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.

Электрон как квазичастица

Если электрон находится в периодическом потенциале, его движение рассматривается как движение квазичастицы. Его состояния описываются квазиволновым вектором. Основной динамической характеристикой в случае квадратичного закона дисперсии является эффективная масса, которая может значительно отличаться от массы свободного электрона и в общем случае является тензором.

Электрон и Вселенная

Известно [8] , что из каждых 100 нуклонов во Вселенной, 87 являются протонами и 13 — нейтронами (последние в основном входят в состав ядер гелия). Для обеспечения общей нейтральности вещества число протонов и электронов должно быть одинаково. Плотность барионной (наблюдаемой оптическими методами) массы, которая состоит в основном из нуклонов, достаточно хорошо известна (один нуклон на 0,4 кубического метра) [9] . С учётом радиуса наблюдаемой Вселенной (13,7 млрд световых лет) можно подсчитать, что число электронов в этом объёме составляет ~1080, что сопоставимо с большими числами Дирака.

Использование

В большинстве источников низкоэнергетичных электронов используются явления термоэлектронной эмиссии и фотоэлектронной эмиссии. Высокоэнергетичные, с энергией от нескольких кэВ до нескольких МэВ, электроны излучаются в процессах бета-распада и внутренней конверсии радиоактивных ядер. Электроны, излучаемые в бета-распаде, иногда называют бета-частицами или бета-лучами. Источниками электронов с более высокой энергией служат ускорители.

Движение электронов в металлах и полупроводниках позволяет легко переносить энергию и управлять ею; это является одной из основ современной цивилизации и используется практически повсеместно в промышленности, связи, информатике, электронике, в быту. Скорость дрейфа электронов в проводниках очень мала (~0,1—1 мм/с), однако электрическое поле распространяется со скоростью света. В связи с этим ток во всей цепи устанавливается практически мгновенно.

Пучки электронов, ускоренные до больших энергий, например, в линейных ускорителях, являются одним из основных средств изучения строения атомных ядер и природы элементарных частиц. Более прозаическим применением электронных лучей являются телевизоры и мониторы с электронно-лучевыми трубками (кинескопами). Электронный микроскоп также использует способность электронных пучков подчиняться законам электронной оптики. До изобретения транзисторов практически вся радиотехника и электроника были основаны на вакуумных электронных лампах, где применяется управление движением электронов в вакууме электрическими (иногда и магнитными) полями. Электровакуумные приборы (ЭВП) продолжают ограниченно использоваться и в наше время; наиболее распространённые применения — магнетроны в генераторах микроволновых печей и вышеупомянутые электронно-лучевые трубки (ЭЛТ) в телевизорах и мониторах.

Модели электрона

Согласно экспериментам, в электронном веществе не видны какие-то заметные компоненты, в силу чего субструктура вещества электрона в настоящее время не обнаруживается.

Электрон стандартной теории

Массовое возникновение электронов как частиц и необходимых составляющих материи предполагается одним из результатов Большого взрыва, породившего Вселенную. Кроме этого, исходя из гипотезы о возникновении одних элементарных частиц только из других элементарных частиц в рамках теории атомизма, электрон рождается в некоторых реакциях с частицами. В квантовой механике электрон часто рассматривается почти как точечная частица, обладающая зарядом, собственным моментом импульса или спином, а также спиновым магнитным моментом. Формально этого оказывается достаточным для описания большинства явлений с электронами. Однако имеются вопросы, для ответа на которые необходимо знать внутреннее устройство электрона. Например, нуклоны считаются состоящими из кварков, обеспечивающими заряд и магнитный момент протона и магнитный момент нейтрона. Но для лептонов, включая электроны, идея кварков применена быть не может, и причина заряда электрона, по модулю строго равного заряду протона, лежит тогда в чём-то другом. Стандартная ссылка на «элементарность» электронов и кварков не может быть принята во внимание, поскольку лишь затушёвывает проблему. Кроме этого, до сих пор в квантовой механике понятие «размер электрона» не может быть сформулировано строго и непротиворечиво.

Субстанциональная модель

Субстанциональная модель электрона описывает происхождение и возникновение электрона, его различные свойства на основе бесконечной вложенности материи, теории подобия уровней материи, SPФ-симметрии, сильной гравитации, а также концепции динамического спина.

Для объяснения происхождения электронов используется не гипотеза Большого взрыва, а идея единообразной эволюции вещества и квантов поля в космосе на всех масштабных уровнях материи. При этом электроны оказываются необходимым следствием в эволюции нуклонов (адронов), всегда возникая в их присутствии. Отсюда вытекает равенство зарядов протона и электрона по модулю и становятся понятными реакции с возникновением электронов. Сравнение притяжения от сильной гравитации и электрической силы отталкивания от заряда электрона показывает, что электрон не может быть стабильной частицей с постоянным радиусом из-за недостаточности сил собственного притяжения. Это означает, что в атоме электрон может быть только осесимметричной фигурой в виде облака. Устойчивость электрона в атоме обеспечивается сильной гравитацией от ядра, электрическими силами от ядра и от собственного заряда электрона, а также центростремительной силой за счёт вращения. Из эволюции нуклонно-электронного вещества следует, что вещество электрона должно быть заряжено и замагниченно, при этом вещество электрона отличается от вещества нуклона так же, как вещество планет от вещества нейтронных звёзд. Последнее обеспечивает наблюдаемую в экспериментах бесструктурность электрона, так как его вещество достаточно однородно и обладает очень малой плотностью по отношению к плотности нуклонов. Отражением такой структуры вещества электрона являются результаты дифракционных опытов (интерференция электрона самим с собой),  и проявление волновых свойств (см. длина волны де Бройля).

Субстанциональная модель описывает возникновение многих свойств электронов. Например, принцип Паули объясняется как следствие электромагнитной индукции в соседних электронных облаках – при сближении двух электронных дисков их вещество начинает вращаться противоположно для того, чтобы удовлетворить правилу Ленца. У двух спаренных электронных облаков суммарный момент импульса и спин равны нулю, это относится и к заполненным оболочкам атомов, в которых число электронов чётно. Квантованные стационарные состояния атома, в которых электрон движется по стационарным орбитам и не излучает энергию, могут быть поняты на основе доказанной Сергеем Федосиным теоремы о равенстве потока кинетической энергии вещества и потоков гравитационной и электромагнитной энергии в веществе электрона в данных состояниях. Представление электронов в атоме гелия в виде двух заряженных дисков позволяет сделать самосогласованный расчёт конфигурации этих дисков и их движения. В частности, для значения радиуса внутреннего края электронного диска получается , радиус внешнего края диска , а высота диска менее , где
есть Боровский радиус. Анализ сил, действующих в веществе электрона при его стационарном вращении вокруг ядра, приводит к закону сохранения энергии и импульса вещества, электромагнитного поля и поля сильной гравитации.

Вместо спина как неотъемлемого внутреннего свойства электрона вводится понятие о динамическом спине, возникающем лишь в моменты перехода электрона в атоме из одного стационарного состояния в другое. При этом центр электронного облака не только не совпадает с ядром атома, но и вращается вокруг него. Такое вращение приводит к излучению электромагнитного кванта от ускоренного движения заряда электрона, а также к возникновению спинового магнитного момента. Появление спиновых магнитных моментов у нескольких возбуждённых в атоме электронов и их взаимодействие между собой и с ядром даёт магнитные поправки к уровням энергии атома, наблюдаемые как тонкая структура спектров и их мультиплетность. Поскольку динамический спин в основном состоянии, а также в s-состояниях отсутствует, то магнитный момент атомов в этих состояниях выводится через орбитальный магнитный момент электронных дисков, а не через спин. Это позволяет разрешить один из парадоксов квантовой механике, по которому в s-состояниях нет орбитального момента и присутствует только спин (как в отсутствие орбитального движения объяснить устойчивость электрона при наличии постоянной силы притяжения к ядру?). С помощью динамического спина новое объяснение получают так называемый лэмбовский сдвиг и магнитомеханические явления, включая эффект Барнетта (появление намагниченности при вращении образца) и опыт Эйнштейна – де Хааза (вращение ферромагнитных образцов в магнитном поле).

Наблюдение

Требуется дистанционное наблюдение электронов обнаружение их излучаемой энергии. Например, в высокоэнергетических средах, таких как корона звезды, свободные электроны образуют плазму, которая излучает энергию за счет тормозного излучения. Электронный газ может подвергаться плазменным колебаниям, которые представляют собой волны, вызванные синхронизированными изменениями плотности электронов, и они производят выбросы энергии, которые можно обнаружить с помощью радиотелескопов.

частота фотона пропорционально его энергии. Когда связанный электрон переходит между различными энергетическими уровнями атома, он поглощает или испускает фотоны с характерными частотами. Например, когда атомы облучаются источником с широким спектром, отчетливые темные линии появляются в спектре прошедшего излучения в местах, где соответствующая частота поглощается электронами атома. Каждый элемент или молекула отображает характерный набор спектральных линий, такой как спектральная серия водорода. При обнаружении спектроскопические измерения силы и ширины этих линий позволяют определить состав и физические свойства вещества.

В лабораторных условиях можно наблюдать взаимодействия отдельных электронов. с помощью детекторов частиц , которые позволяют измерять определенные свойства, такие как энергия, спин и заряд. Разработка ловушки Пола и ловушки Пеннинга позволяет удерживать заряженные частицы в небольшой области в течение длительного времени. Это позволяет точно измерить свойства частиц. Например, в одном случае ловушка Пеннинга использовалась для удержания одного электрона в течение 10 месяцев. Магнитный момент электрона был измерен с точностью до одиннадцати цифр, что в 1980 году было большей точностью, чем для любой другой физической постоянной.

Первые видеоизображения распределения энергии электрона были захвачены с помощью группа из Лундского университета в Швеции, февраль 2008 г. Ученые использовали чрезвычайно короткие вспышки света, называемые аттосекундными импульсами, что позволило впервые наблюдать движение электрона.

Распределение электронов в твердых материалах может быть визуализировано с помощью фотоэмиссионной спектроскопии с угловым разрешением (ARPES). Этот метод использует фотоэлектрический эффект для измерения обратного пространства – математического представления периодических структур, которое используется для вывода исходной структуры. ARPES можно использовать для определения направления, скорости и рассеяния электронов в материале.

Интересные факты

• Название этой элементарной частицы происходит от греческого термина, в переводе обозначающего «янтарь». Дело в том, что в Древней Греции ученые проводили опыты: они терли шерстью большие куски янтаря, и они после процедур начинали притягивать мелкие куски бумаги и прочие предметы.
• Сам термин «электрон», в качестве обозначения фундаментальной единицы в электрохимии появился в 1894 году. Предложил его ученый Дж. Стоуни.
• Открытие электрона официально принадлежит сразу двум ученым – Дж. Томпсону и Э. Вихерту. Благодаря им также стало известно: в случае катодных лучей отношение заряда к массе от источника ничуть не зависит.