elektron

Den elektron [ eːlɛktrɔn, elɛk-, elɛktroːn ] (fra gammel græsk ἤλεκτρον Elektron " rav ", som elektricitet blev undersøgt i oldtiden; opfundet i 1874 af Stoney og Helmholtz ) er et negativt ladet elementarpartikel . Dets symbol er e ^- . Den alternative navn Negatron (fra Nega tiv ladning og Elek tron ) er sjældent brugt, og er muligvis i beta spektroskopi fælles.

Elektronerne bundet i et atom eller en ion danner dets elektronskal . Al kemi er i det væsentlige baseret på egenskaberne og interaktionerne mellem disse bundne elektroner. I metaller kan nogle af elektronerne bevæge sig frit og forårsage den høje elektriske ledningsevne af metalliske ledere . Dette er grundlaget for elektroteknik og elektronik . I halvledere kan antallet af mobile elektroner og dermed den elektriske ledningsevne let påvirkes, både gennem fremstilling af materialet og senere gennem eksterne påvirkninger som temperatur, elektrisk spænding , lysindfald osv. Dette er grundlaget for halvlederelektronik . Elektroner kan flygte fra ethvert materiale, når det er stærkt opvarmet, eller når et stærkt elektrisk felt påføres ( glødemission , feltemission ). Som frie elektroner kan de derefter formes til en elektronstråle i et vakuum ved yderligere acceleration og fokusering . Dette har muliggjort udviklingen af katodestrålerør (CRT'er) til oscilloskoper , fjernsyn og computerskærme . Yderligere anvendelser af frie elektroner er f.eks. B. røntgenrør , elektronmikroskoper , elektronstrålesvejsning , grundlæggende fysisk forskning ved hjælp af partikelacceleratorer og generering af synkrotronstråling til forskning og tekniske formål.

Under beta-minus henfald af en atomkerne genereres og udsendes en ny elektron.

Det eksperimentelle bevis på elektronen blev først opnået af Emil Wiechert i 1897 og lidt senere af Joseph John Thomson .

Historien om opdagelsen af ​​elektronen

Begrebet en mindste, udelelig mængde elektrisk ladning blev foreslået ved forskellige lejligheder omkring midten af ​​1800 -tallet, blandt andet af Richard Laming , Wilhelm Weber og Hermann von Helmholtz .

I 1874 foreslog George Johnstone Stoney eksistensen af ​​elektriske ladningsbærere forbundet med atomer. Baseret på elektrolysen estimerede han størrelsen af ​​elektronladningen, men modtog en værdi, der var omkring en faktor 20 for lav. På mødet i British Association i Belfast foreslog han at bruge elementærladningen som en anden grundlæggende naturlig konstant sammen med gravitationskonstanten og lysets hastighed som grundlag for fysiske målesystemer. Sammen med Helmholtz opfandt Stoney navnet elektron for "elektricitetens atom".

Emil Wiechert fandt i 1897 ud af, at katodestråling består af negativt ladede partikler, der er meget lettere end et atom, men stoppede derefter sin forskning om dette. I samme år bestemte Joseph John Thomson partiklernes masse (han omtalte dem først som korpuskler ) og kunne bevise, at de samme partikler altid er involveret, uanset katodematerialet og den resterende gas i katodestrålerøret. I løbet af denne tid blev Zeeman -effekten brugt til at demonstrere, at disse partikler også forekommer i atomet og forårsager lysemission der. Elektronen blev således identificeret som en elementarpartikel.

Den elementære ladning blev målt i 1909 af Robert Millikan .

ejendomme

Elektronen er den letteste af de elektrisk ladede elementarpartikler. Hvis bevaringslovene for ladning og energi finder anvendelse - hvilket svarer til al fysisk erfaring - skal elektroner derfor være stabile. Faktisk har der hidtil ikke været eksperimentelt bevis for elektronforfald.

Elektronen tilhører leptonerne og har ligesom alle leptoner et spin (mere præcist: spin -kvantetal) på 1/2. Som en partikel med et halvt helt spin tilhører den klassen fermioner , så den er især underlagt Pauli-princippet . Dens antipartikel er positronen , symbolet e ⁺ , som den korresponderer med i alle egenskaber undtagen dens elektriske ladning.

Nogle af de grundlæggende egenskaber af elektron, er anført i tabellen ovenfor, er forbundet med den magnetiske moment af den elektron spin :

${\ displaystyle {\ vec {\ mu _ {\ mathrm {s}}}} = - g _ {\ mathrm {s}} {\ frac {e} {2m _ {\ mathrm {e}}}} {\ vec {s}}}$.

Her er det magnetiske moment af elektron spin, den masse elektronens, dets ladning og den tur . kaldes Landé- eller g -faktoren . Den Udtrykket vor , som beskriver forholdet mellem det magnetiske moment til spin, kaldes gyromagnetiske forhold af elektronen. For elektronen, ifølge Dirac -teorien (relativistisk kvantemekanik), ville dette være præcis 2. Effekter, der kun forklares ved kvanteelektrodynamik , forårsager imidlertid en målelig lille afvigelse på 2. Denne afvigelse kaldes det anomale magnetiske moment af elektron${\ displaystyle {\ vec {\ mu _ {\ mathrm {s}}}}}$${\ displaystyle m _ {\ mathrm {e}}}$${\ displaystyle e}$${\ displaystyle {\ vec {s}}}$${\ displaystyle g _ {\ mathrm {s}}}$${\ displaystyle {\ vec {s}}}$${\ displaystyle g _ {\ mathrm {s}}}$ udpeget.

Standardmodel af elementarpartikler : de 12 grundlæggende fermioner og 5 basiske bosoner ; elektronen er blandt leptonerne en

Klassisk radius og punktlighed

Kort efter opdagelsen af ​​elektronen blev der forsøgt at estimere dens størrelse, især på grund af den klassiske idé om små billardkugler, der kolliderer under spredningsforsøg . Begrundelsen kom ned på, at koncentrationen af ​​elektronladningen på et meget lille omfang af elektronen kræver energi, der ifølge ækvivalensprincippet skal være i elektronens masse. Forudsat at energien i en elektron i hvile er det dobbelte af elektronladningens egenenergi i sit eget elektriske felt, opnår man den klassiske elektronradius${\ displaystyle E _ {\ text {rest}} = m _ {\ mathrm {e}} \, c ^ {2}}$ ${\ displaystyle {\ frac {e ^ {2}} {4 \ pi \ varepsilon _ {0} r _ {\ mathrm {e}}}}}}$

${\ displaystyle r _ {\ mathrm {e}} = {\ frac {e ^ {2}} {4 \, \ pi \, \ varepsilon _ {0} \, m _ {\ mathrm {e}} \, c ^ {2}}} = \ alpha ^ {2} \, a_ {0} = 2 {,} 817 \, 940 \, 3262 \, (13) \ cdot 10 ^ {- 15} ~ \ mathrm {m } \}$

${\ displaystyle e}$: Elementary ladning , : Kreiszahl , : Elektrisk felt konstant , : elektron masse : lysets hastighed , : fin struktur konstant , : Bohr radius . ${\ displaystyle \ pi}$${\ displaystyle \ varepsilon _ {0}}$${\ displaystyle m _ {\ mathrm {e}}}$${\ displaystyle c}$${\ displaystyle \ alpha}$${\ displaystyle a_ {0}}$

Selvenergien adskiller mentalt elektrisk ladning og elektronens elektriske felt. Hvis man sætter ladningen −e i potentialet , hvorved man f.eks. Tænker på en anden elektron jævnt fordelt over en sfærisk overflade af radius , så kræves energi til dette, er selvenergien af en enkelt elektron halvdelen af det her. Der var imidlertid også andre afledninger til en mulig ekspansion af elektronen, som kom til andre værdier.${\ displaystyle \ phi (r) = - {\ tfrac {1} {4 \ pi \ varepsilon _ {0}}} \ cdot {\ tfrac {e} {r}}}$${\ displaystyle r _ {\ mathrm {e}}}$

I dag er synet på elektronens ekspansion anderledes: I de forsøg, der hidtil har været mulige, viser elektroner hverken ekspansion eller intern struktur og kan derfor antages at være punktlignende. Den eksperimentelle øvre grænse for elektronens størrelse er i øjeblikket omkring 10 ^-19  m. Ikke desto mindre forekommer den klassiske elektronradius i mange formler, hvor en mængde af dimensionens længde (eller areal osv.) Dannes ud fra de faste egenskaber ved elektron forklarer eksperimentelle resultater. For eksempel indeholder de teoretiske formler for tværsnittene af Foto- og Compton -effekter kvadratet af . ${\ displaystyle r _ {\ mathrm {e}}}$${\ displaystyle r _ {\ mathrm {e}}}$

Selv søgningen efter et elektrisk dipolmoment af elektronen har hidtil ikke givet nogen positive resultater. Der ville opstå et dipolmoment, hvis massens tyngdepunkt i tilfælde af en ikke-punktelektron ikke samtidig var ladningens tyngdepunkt. Dette er, hvad der forudsiges af teorier om supersymmetri, der går ud over standardmodellen for elementære partikler; det ville krænke T-symmetrien (af grunden se: Elektrisk dipolmoment af neutronen ). En måling i oktober 2013, der anvender det stærke elektriske felt i et polært molekyle, viste, at et muligt dipolmoment med et konfidensniveau på 90% ikke er større end 8,7 · 10 ⁻³¹   m. Dette betyder klart, at elektronens ladnings- og massecenter ikke må være mere end ^10-30  m fra hinanden. Teoretiske tilgange, hvorefter større værdier blev forudsagt, tilbagevises således. ${\ displaystyle e}$

Tværsnit

Der skal skelnes mellem elektronens (mulige) ekspansion og dens tværsnit for interaktionsprocesser. Når røntgenstråler er spredt af elektroner, z. B. et spredningstværsnit af, hvad der svarer til det cirkulære område med den klassiske elektronradius beskrevet ovenfor . I grænsen for lange bølgelængder, dvs. H. mindre fotonergier, stiger spredningstværsnittet (se Thomson-spredning og Compton-effekt ). ${\ displaystyle \ pi r_ {e} ^ {2}}$${\ displaystyle r_ {e}}$${\ displaystyle (8/3) \ pi r_ {e} ^ {2}}$

Interaktioner

Mange fysiske fænomener som elektricitet , elektromagnetisme og elektromagnetisk stråling er i det væsentlige baseret på interaktioner mellem elektroner. Elektroner i en elektrisk leder forskydes af et skiftende magnetfelt, og en elektrisk spænding induceres. Elektronerne i en strømførende leder skaber et magnetfelt. En accelereret elektron - selvfølgelig også i tilfælde af krum bevægelse - udsender fotoner, det såkaldte bremsstrahlung ( Hertz dipol , synkrotronstråling , fri-elektron-laser ).

I et faststof oplever elektronen interaktioner med krystalgitteret . Dets adfærd kan derefter beskrives ved at bruge den afvigende effektive masse i stedet for elektronmassen , som også er afhængig af elektronens bevægelsesretning.

Elektroner, der har løsnet sig fra deres atomer i polære opløsningsmidler, såsom vand eller alkoholer, er kendt som solvatiserede elektroner . Når alkalimetaller opløses i ammoniak , er de ansvarlige for den stærke blå farve.

En elektron er et kvanteobjekt , det vil sige, det er ved Heisenberg -usikkerhedsprincippet lokalt beskrevet og momentum spredt i det målbare område, så som for lys begge aksler - samt partikelegenskaber kan observeres, hvilket som en bølge -partikeldualitet udpeget testamente. I et atom kan elektronen ses som en stående bølge af stof .

Eksperimenter

Forholdet e / m af den elektron ladning til elektron masse kan bestemmes som en skole eksperiment med fine strålerør . Den direkte bestemmelse af elementær ladning blev muliggjort af Millikan -eksperimentet .

For elektroner, hvis hastighed ikke er ubetydeligt lille i forhold til lysets hastighed , skal det ikke-lineære bidrag til momentum tages i betragtning i henhold til relativitetsteorien . Elektroner med deres lave masse kan relativt let accelereres til så høje hastigheder; Selv med en kinetisk energi på 80 keV har en elektron halvdelen af ​​lysets hastighed. Impulsen kan måles ved at afbøje den i et magnetisk felt. Momentumets afvigelse fra værdien beregnet efter klassisk mekanik blev først demonstreret af Walter Kaufmann i 1901 og efter opdagelsen af ​​relativitetsteorien først beskrevet med udtrykket " relativistisk masseforøgelse ", som nu betragtes som forældet.

Gratis elektroner

Fluorescens fra elektroner i et skyggetværrør

I katodestrålerøret (Brauns rør) kommer elektroner fra en opvarmet varm katode og accelereres i et vakuum af et elektrisk felt i feltets retning (mod den positive anode ) . Ved magnetfelter er elektronerne vinkelret på feltretningen og vinkelret på den øjeblikkelige flyveretning afbøjet ( Lorentz -kraft ). Det var disse egenskaber ved elektronerne, der gjorde udviklingen af oscilloskopet , fjernsynet og computerskærmen mulig.

Yderligere anvendelser af frie elektroner er f.eks. B. røntgenrør , elektronmikroskoper , elektronstrålesvejsning , grundlæggende fysisk forskning ved hjælp af partikelacceleratorer og generering af synkrotronstråling til forskning og tekniske formål. Se også elektronstråle -teknologi .

Weblinks

Wiktionary: Elektron  - forklaringer på betydninger, ordoprindelse, synonymer, oversættelser

• Problemet med masse for kvarker og leptoner - Foredrag (engelsk) af Harald Fritzsch den 22. marts 2000 på Kavli Institute for Theoretical Physics (forelæsningsdokumenter, 43 sider / lydoptagelse, 82 min., 10 MB).

Individuelle beviser

1. ↑ CODATA Anbefalede værdier. National Institute of Standards and Technology, adgang 20. maj 2019 .  Elementær ladning i C (nøjagtig).
2. ↑ CODATA Anbefalede værdier. National Institute of Standards and Technology, adgang 20. maj 2019 .  Elektronmasse i u . Tallene i parentes angiver usikkerheden i værdiens sidste cifre; denne usikkerhed angives som den estimerede standardafvigelse for den angivne numeriske værdi fra den faktiske værdi.
3. ↑ CODATA Anbefalede værdier. National Institute of Standards and Technology, adgang 20. maj 2019 .  Elektronmasse i kg . Tallene i parentes angiver usikkerheden i værdiens sidste cifre; denne usikkerhed angives som den estimerede standardafvigelse for den angivne numeriske værdi fra den faktiske værdi.
4. ↑ CODATA Anbefalede værdier. National Institute of Standards and Technology, adgang 20. maj 2019 .  Elektronmasse i MeV / c ² . Tallene i parentes angiver usikkerheden i værdiens sidste cifre; denne usikkerhed angives som den estimerede standardafvigelse for den angivne numeriske værdi fra den faktiske værdi.
5. ↑ CODATA Anbefalede værdier. National Institute of Standards and Technology, adgang 20. maj 2019 .  Compton bølgelængde. Tallene i parentes angiver usikkerheden i værdiens sidste cifre; denne usikkerhed er angivet som den estimerede standardafvigelse for den angivne numeriske værdi fra den faktiske værdi.
6. ↑ CODATA Anbefalede værdier. National Institute of Standards and Technology, åbnet 3. august 2019 .  Magnetisk øjeblik. Tallene i parentes angiver usikkerheden i værdiens sidste cifre; denne usikkerhed angives som den estimerede standardafvigelse for den angivne numeriske værdi fra den faktiske værdi.
7. ↑ CODATA Anbefalede værdier. National Institute of Standards and Technology, adgang 20. maj 2019 .  g faktor. Tallene i parentes angiver usikkerheden i værdiens sidste cifre; denne usikkerhed angives som den estimerede standardafvigelse for den angivne numeriske værdi fra den faktiske værdi.
8. ↑ CODATA Anbefalede værdier. National Institute of Standards and Technology, adgang 20. maj 2019 .  Gyromagnetisk forhold. Tallene i parentes angiver usikkerheden i værdiens sidste cifre; denne usikkerhed angives som den estimerede standardafvigelse for den angivne numeriske værdi fra den faktiske værdi.
9. ↑ Károly Simonyi: fysikkens kulturhistorie . Harri Deutsch, Thun, Frankfurt a. M. 1995, ISBN 3-8171-1379-X , s. 380 . 
10. ^ H. Rechenberg: Elektronen i fysik - udvælgelse fra en kronologi i de sidste 100 år . I: European Journal of Physics . tape 18.3 , 1997, s. 145 . 
11. ^ JJ Thomson: Katodestråler . I: Filosofisk magasin . tape 44 , 1897, s. 293 ( Online - JJ Thomson (1856-1940): Katodestråler). 
12. ↑ Theodore Arabatzis: Repræsentant for elektroner: En biografisk tilgang til teoretiske enheder . University of Chicago Press, 2006, ISBN 0-226-02421-0 , s. 70 f . (Engelsk, begrænset eksempel i Google Bogsøgning). 
13. ↑ Abraham Pais indadgående , s. 74.
14. ↑ Om de fysiske enheder i naturen , første gang udgivet i 1881, Philosophical Magazine, bind 11, 1881, s. 381.
15. ^ Trans. Royal Dublin Society, bind 4, s. 583.
16. ↑ Károly Simonyi: fysikkens kulturhistorie . Harri Deutsch, Thun, Frankfurt a. M. 1995, ISBN 3-8171-1379-X , s. 380 . 
17. ^ Encyclopedia Britannica 1911, artikel elektron .
18. ↑ CODATA Anbefalede værdier. National Institute of Standards and Technology, adgang 20. maj 2019 .  Klassisk elektronradius. Tallene i parentes angiver usikkerheden i værdiens sidste cifre; denne usikkerhed angives som den estimerede standardafvigelse for den angivne numeriske værdi fra den faktiske værdi.
19. ^ W. Finkelnburg: Introduktion til atomfysik , Springer., 1976
20. ↑ Dieter Meschede : Gerthsen Physik 22. udg. Berlin Springer, 2004. (Springer -lærebog), side 592 og øvelse (17.4.5), side 967.
21. ↑ Paul Huber og Hans H. Staub: Atomphysik (Introduktion til Fysik, bind 3, del 1) Basel: Reinhardt 1970 side 170.
22. ^ Richard Feynman : Forelæsninger om fysik, bind 1, mekanik, stråling og varme, Addison -Wesley 1966 - ligning (32.11) sider 32–4.
23. ↑ Clara Moskowitz: For rund til supersymmetri. 15. november 2013. Hentet 19. november 2013 . 
24. ↑ G. Möllenstedt og H. Düker: Observationer og målinger på biprisme interferens med elektronbølger . I: Journal of Physics . Ingen. 145 , 1956, s. 377–397 ( frit tilgængelig efter registrering ).