Elektron

Elektron

Wasserstoff atomare Orbitale bei unterschiedlichen Energieniveaus. Je undurchsichtigerer Bereiche, wo man zu einem bestimmten Zeitpunkt am wahrscheinlichsten ein Elektron findet.
Komposition	Elementarteilchen[1]
Statistiken	Fermionisch
Familie	Lepton
Generation	Zuerst
Interaktionen	Schwere, elektromagnetisch, schwach
Symbol	e− , β−
Antipartikel	Positron[a]
Theoretisiert	Richard Laming (1838–1851),[2] G. Johnstone Stoney (1874) und andere.[3][4]
Entdeckt	J. J. Thomson (1897)[5]
Masse	9.1093837015(28)×10–31 kg[6] 5.48579909070(16)×10–4 Da[7] [1822.8884845(14)]–1Da[b] 0,51099895000(fünfzehn)Mev/c2[6]
Mittelleben	stabil (> 6.6×1028Jahr[8])
Elektrische Ladung	–1e[c] –1.602176634×10–19 C[6] –4,80320451(10)×10–10 Esu
Magnetisches Moment	–1.00115965218091(26)µB[7]
Drehen	1/2
Schwaches Isospin	Lh: - 1/2, Rh: 0
Schwacher Hyperladung	Lh: -1, Rh: -2

Das Elektron ist ein subatomares Teilchen (Bezeichnet durch das Symbol
e⁻
oder
β⁻
oder ${\ displaystyle {\ ce {^{0} _ {-1} e}}}$) Deren elektrische Ladung ist negativ Grundladung.^[9] Elektronen gehören zum ersten Generation des Lepton Partikelfamilie,^[10] und werden allgemein angenommen, als wäre es Elementarteilchen Weil sie keine bekannten Komponenten oder Unterstruktur haben.^[1] Die Elektronen Masse ist circa 1836 mal kleiner als das der des Proton.^[11] Quantenmechanik Eigenschaften des Elektrons umfassen ein intrinsisch Winkelimpuls (drehen) eines halben Integerwerts, ausgedrückt in Einheiten der Reduzierte Planckkonstante, ħ. Sein Fermionen, keine zwei Elektronen können gleich belegen Quantenzustand, gemäß dem Pauli -Ausschlussprinzip.^[10] Wie alle Elementarpartikel zeigen Elektronen Eigenschaften von Eigenschaften von sowohl Partikel als auch Wellen: Sie können mit anderen Partikeln kollidieren und sein verbeugt wie Licht. Das Welleneigenschaften von Elektronen sind mit Experimenten leichter zu beobachten als die von anderen Partikeln wie Neutronen und Protonen, weil Elektronen eine niedrigere Masse haben und damit eine längere De Broglie -Wellenlänge für eine bestimmte Energie.

Elektronen spielen eine wesentliche Rolle in zahlreichen physisch Phänomene wie z. Elektrizität, Magnetismus, Chemie und Wärmeleitfähigkeitund sie nehmen auch an Gravitation, elektromagnetisch und schwach Interaktionen.^[12] Da ein Elektron die Gebühr hat, hat es eine Umgebung elektrisches Feldund wenn sich dieses Elektron relativ zu einem Beobachter bewegt, wird der Beobachter beobachten, um a zu erzeugen Magnetfeld. Elektromagnetische Felder, die aus anderen Quellen erzeugt werden, beeinflussen die Bewegung eines Elektrons gemäß dem Lorentz Force Law. Elektronen strahlen oder absorbieren Energie in Form von Photonen Wenn sie beschleunigt werden. Laborinstrumente sind in der Lage, einzelne Elektronen zu fangen Elektronplasma durch Verwendung von elektromagnetischen Feldern. Speziell Teleskope Kann Elektronplasma im Weltraum erkennen. Elektronen sind an vielen Anwendungen wie Tribologie oder Reibungsladen, Elektrolyse, Elektrochemie, Batterietechnologien, beteiligt Elektronik, Schweißen, Kathodenstrahlröhren, Photoelektrizität, Photovoltaik -Sonnenkollektoren, Elektronenmikroskope, Strahlentherapie, Laser, Gas -Ionisations -Detektoren und Partikelbeschleuniger.

Wechselwirkungen mit Elektronen mit anderen subatomaren Partikeln sind in Bereichen wie z. Chemie und Kernphysik. Das Coulomb -Kraft Wechselwirkung zwischen den positiven Protonen innerhalb Atomkerne und die negativen Elektronen ohne ermöglichen die Zusammensetzung der beiden bekannt als Atome. Ionisation oder Unterschiede in den Anteilen negativer Elektronen gegenüber positiven Kern verändern die Bindungsenergie eines Atomsystems. Der Austausch oder die Freigabe der Elektronen zwischen zwei oder mehr Atomen ist die Hauptursache für chemische Verbindung.^[13] 1838 britischer Naturalphilosopher Richard Laming Zuerst vermuteten das Konzept einer unteilbaren Menge an elektrischer Ladung, um die zu erklären chemische Eigenschaften von Atomen.^[3] Irischer Physiker George Johnstone Stoney nannte diese Ladung 'Elektron' im Jahr 1891 und J. J. Thomson und sein Team britischer Physiker identifizierten es 1897 als Teilchen während der Kathodenstrahlrohrexperiment.^[5] Elektronen können auch daran teilnehmen Kernreaktionen, wie zum Beispiel Nucleosynthese in Sternen, wo sie als bekannt sind als Beta -Partikel. Elektronen können durch erstellt werden Beta -Verfall von Radioaktive Isotope und in energiereicher Kollisionen beispielsweise wenn kosmische Strahlung Betreten Sie die Atmosphäre. Das Antipartikel des Elektrons heißt das Positron; Es ist identisch mit dem Elektron, außer dass es elektrisch trägt aufladen des entgegengesetzten Zeichens. Wenn ein Elektronen kollidiert mit einem Positron, beide Partikel können sein vernichtet, produzieren Gamma Ray Photonen.

Geschichte

Entdeckung der Wirkung der elektrischen Kraft

Das Antike Griechen bemerkte das Bernstein zog kleine Gegenstände an, wenn sie mit Fell gerieben werden. Zusammen mit BlitzDieses Phänomen ist eine der frühesten verzeichneten Erfahrungen der Menschheit mit Elektrizität.^[14] In seiner 1600 -Abhandlung De Magnete, der englische Wissenschaftler William Gilbert geprägt die Neues Latein Begriff electrica, um sich auf diese Substanzen mit einer Eigenschaft zu beziehen, die dem von Bernstein ähnelt, die nach dem Rennen kleine Gegenstände anziehen.^[15] Beide elektrisch und Elektrizität sind vom Latein abgeleitet ēlectrum (auch die Wurzel der gleichnamiger Legierung), was aus dem griechischen Wort für Bernstein kam, ἤλεκτρον (ēlektron).

Entdeckung von zwei Arten von Gebühren

In den frühen 1700er Jahren französischer Chemiker Charles François du Fay fanden heraus, dass, wenn ein geladenes Goldblatt durch mit Seide geriebenes Glas abgestoßen wird, das gleiche geladene Goldblatt von mit Wolle geriebenes Bernstein angezogen wird. Aus diesem und anderen Ergebnissen ähnlicher Experimenten -Arten kam du Fay zu dem Schluss, dass Strom aus zwei besteht elektrische Flüssigkeiten, Glaskörper Flüssigkeit aus Glas mit Seide gerieben und Harz Flüssigkeit aus Bernstein mit Wolle gerieben. Diese beiden Flüssigkeiten können sich im Zusammenhang gegenseitig neutralisieren.^[15][16] Amerikanischer Wissenschaftler Ebenezer Kinnersley Später erreichte auch unabhängig die gleiche Schlussfolgerung.^{[17]: 118} Ein Jahrzehnt später Benjamin Franklin schlug vor, dass der Strom nicht aus verschiedenen Arten von elektrischer Flüssigkeit stammte, sondern eine einzelne elektrische Flüssigkeit, die einen überschüssigen (+) oder Defizit ( -) zeigte. Er gab ihnen die Moderne aufladen Nomenklatur von positiv bzw. negativ.^[18] Franklin dachte an, dass der Anklagenträger positiv war, aber er identifizierte nicht korrekt, welche Situation ein Überschuss des Ladungsträgers war und welche Situation ein Defizit war.^[19]

Zwischen 1838 und 1851 der britische Naturphilosoph Richard Laming entwickelte die Idee, dass ein Atom aus einem Kern von Materie besteht, das von subatomaren Partikeln umgeben ist, die Einheiten hatten elektrische Aufladungen.^[2] Ab 1846 deutscher Physiker Wilhelm Eduard Weber theoretisierte, dass Strom aus positiv und negativ geladenen Flüssigkeiten bestand, und ihre Wechselwirkung wurde von der bestimmt umgekehrtes quadratisches Gesetz. Nach dem Studium des Phänomens von Elektrolyse Im Jahr 1874 der irische Physiker George Johnstone Stoney schlug vor, dass es eine "eindeutige Menge an Strom" gab, die Ladung von a monovalent Ion. Er konnte den Wert dieser Grundladung schätzen e mittels Faradays Elektrolysegesetze.^[20] Stoney glaubte jedoch, dass diese Anklagen dauerhaft an Atome gebunden waren und nicht entfernt werden konnten. Im Jahr 1881 der deutsche Physiker Hermann von Helmholtz argumentierte, dass sowohl positive als auch negative Ladungen in elementare Teile unterteilt wurden, von denen jeder "wie Atome der Elektrizität verhält".^[3]

Stoney prägte zunächst den Begriff Elektrolion 1881. Zehn Jahre später wechselte er zu Elektron Um diese Grundgebühren zu beschreiben, schreiben Sie 1894: "... eine Schätzung des tatsächlichen Betrags dieser bemerkenswertesten Grundeinheit des Stroms, für die ich seitdem gewagt habe, den Namen vorzuschlagen Elektron". Ein Vorschlag von 1906 zu ändern zu ändern Elektro gescheitert, weil Hendrik Lorentz bevorzugt zu behalten Elektron.^[21][22] Das Wort Elektron ist eine Kombination der Wörter ElektrikIC und ian.^[23] Das Suffix -an Dies wird verwendet, um andere subatomare Partikel wie ein Proton oder Neutron zu bezeichnen, das sich aus dem Elektronen auswirkt.^[24][25]

Entdeckung freier Elektronen außerhalb der Materie

Ein Elektronenstrahl, der durch ein Magnetfeld in einen Kreis abgelenkt wird^[26]

Während der Untersuchung der elektrischen Leitfähigkeit in verdünnt Gase im Jahr 1859 der deutsche Physiker Julius Plückker beobachtete die von der Kathode emittierte Strahlung ließ Phosphoreszenzlicht an der Rohrwand in der Nähe der Kathode erschienen. und die Region des phosphoreszierenden Lichts könnte durch Anwendung eines Magnetfeldes bewegt werden.^[27] Im Jahr 1869 Plückers Student Johann Wilhelm Hittorf fanden heraus, dass ein fester Körper zwischen der Kathode und der Phosphoreszenz einen Schatten auf den phosphoreszierenden Bereich des Röhrchens werfen würde. Hittorf schließte an, dass es gerade Strahlen aus der Kathode gibt und dass die Phosphoreszenz durch die Strahlen verursacht wurde, die auf die Rohrwände schlugen. 1876 ​​der deutsche Physiker Eugen Goldstein zeigten, dass die Strahlen senkrecht zur Kathodenoberfläche emittiert wurden, die zwischen den Strahlen unterschieden, die von der Kathode und dem Glühlampen emittiert wurden. Goldstein nannte die Strahlen Kathodenstrahlen.^{[28][29]: 393} Jahrzehnte experimentelle und theoretische Forschung mit Kathodenstrahlen waren wichtig in J. J. Thomson's eventuelle Entdeckung von Elektronen.^[3]

In den 1870er Jahren der englische Chemiker und Physiker Sir William Crookes entwickelte das erste Kathodenstrahlrohr, das a hat hohes Vakuum Innerhalb.^[30] Anschließend zeigte er 1874, dass die Kathodenstrahlen ein kleines Paddelrad drehen können, wenn sie auf ihrem Weg platziert werden. Daher kam er zu dem Schluss, dass die Strahlen Schwung trugen. Darüber hinaus konnte er durch die Anwendung eines Magnetfeldes die Strahlen ablenken und zeigten, dass sich der Strahl so verhalten hat, als ob er negativ aufgeladen wäre.^[28] 1879 schlug er vor, dass diese Eigenschaften erklärt werden könnten, indem Kathodenstrahlen aus negativ geladenem Gas bestehen Moleküle In einem vierten Zustand der Materie, in dem der mittlere freie Weg der Partikel so lang ist, dass Kollisionen ignoriert werden können.^{[29]: 394–395}

Der in Deutschland geborene britische Physiker Arthur Schuster erweitert nach den Experimenten von Crookes, indem sie Metallplatten parallel zu den Kathodenstrahlen platzieren und eine auftragen elektrisches Potenzial zwischen den Tellern.^[31] Das Feld lenkte die Strahlen in Richtung der positiv geladenen Platte ab und lieferte weitere Beweise dafür, dass die Strahlen negative Ladung verursachten. Durch Messung der Ablenkungsmenge für einen bestimmten Niveau von aktuell, 1890 konnte Schuster die schätzen Ladungsverhältnis^[d] der Strahlenkomponenten. Dies führte jedoch zu einem Wert, der mehr als tausendmal höher war als erwartet, so dass seine Berechnungen zu diesem Zeitpunkt wenig Glaubwürdigkeit gegeben wurden.^[28] Dies liegt daran Wasserstoff oder Stickstoff- Atome.^[31] Die Schätzungen von Schuster würden sich anschließend als weitgehend korrekt herausstellen.

1892 Hendrik Lorentz schlug vor, dass die Masse dieser Partikel (Elektronen) eine Folge ihrer elektrischen Ladung sein könnte.^[32]

J. J. Thomson

Beim natürlich studieren Fluorescing Mineralien im Jahr 1896 der französische Physiker Henri Becquerel entdeckte, dass sie Strahlung ohne Exposition gegenüber einer externen Energiequelle emittieren. Diese radioaktiv Materialien wurden von Wissenschaftlern, einschließlich des neuseeländischen Physikers, von großem Interesse Ernest Rutherford wer entdeckte, dass sie Partikel emittiert haben. Er bezeichnete diese Partikel Alpha und Beta, auf der Grundlage ihrer Fähigkeit, Materie zu durchdringen.^[33] Im Jahr 1900 zeigte Becquerel, dass die Beta -Strahlen von emittiert werden von Radium könnte durch ein elektrisches Feld abgelenkt werden und dass ihr Verhältnis von Massen zu Lade den gleichen wie bei Kathodenstrahlen war.^[34] Dieser Beweis stärkte die Ansicht, dass Elektronen als Bestandteile von Atomen existierten.^[35][36]

1897 der britische Physiker J. J. Thomsonmit seinen Kollegen John S. Townsend und H. A. Wilson, durchgeführte Experimente, die darauf hinweisen, dass Kathodenstrahlen wirklich einzigartige Partikel waren und nicht Wellen, Atome oder Moleküle, wie bereits angenommen.^[5] Thomson machte gute Schätzungen beider Anklage e und die Masse mund feststellte, dass Kathodenstrahlenpartikel, die er "Korpuskeln" nannte, vielleicht ein Tausendstel der Masse des am wenigsten massiven Ion bekannt war: Wasserstoff.^[5] Er zeigte, dass ihr Verhältnis von Ladung zu Masse, e/mwar unabhängig von Kathodenmaterial. Er zeigte ferner, dass die durch radioaktiven Materialien erzeugten negativ geladenen Partikel, durch erhitzte Materialien und durch beleuchtete Materialien universell waren.^[5][37] Der Name Electron wurde von der wissenschaftlichen Gemeinschaft für diese Partikel übernommen, hauptsächlich aufgrund der Einrichtung von G. F. Fitzgerald, J. Larmor, und H. A. Lorentz.^{[38]: 273} Im selben Jahr Emil Wiechert und Walter Kaufmann berechnete auch das E/M -Verhältnis, aber sie haben ihre Ergebnisse nicht interpretiert, während J. J. Thomson 1899 auch Schätzungen für die Elektronenladung und Masse vorlegen würde: E ~6.8×10^–10 Esu und m ~3×10^–26 g^[39][40]

Robert Millikan

Die Ladung des Elektrons wurde von den amerikanischen Physikern sorgfältiger gemessen Robert Millikan und Harvey Fletcher in ihren Öldrop-Experiment Von 1909 wurden die Ergebnisse 1911 veröffentlicht. In diesem Experiment wurde ein elektrisches Feld verwendet, um zu verhindern, dass ein geladener Öltröpfchen infolge der Schwerkraft fällt. Dieses Gerät könnte die elektrische Ladung von nur 1–150 Ionen mit einer Fehlerspanne von weniger als 0,3%messen. Vergleichbare Experimente wurden früher von Thomsons Team durchgeführt,^[5] Verwenden von Wolken geladener Wassertröpfchen, die durch Elektrolyse und 1911 nach Abram Ioffe, der unabhängig das gleiche Ergebnis wie Millikan unter Verwendung von geladenen Metallenmikropartikeln erzielte, veröffentlichte 1913 seine Ergebnisse.^[41] Die Ölabfälle waren jedoch aufgrund ihrer langsameren Verdunstungsrate stabiler als Wasserabfälle und somit eher für genaue Experimente über längere Zeiträume geeignet.^[42]

Um zu Beginn des 20. Jahrhunderts wurde festgestellt übersättigt Wasserdampf entlang seines Weges. 1911, Charles Wilson benutzte dieses Prinzip, um seine zu entwickeln Nebelkammer So konnte er die Spuren geladener Partikel wie schnell bewegende Elektronen fotografieren.^[43]

Atomtheorie

Das Bohr -Modell des Atoms, zeigt Zustände eines Elektrons mit Energie quantisiert nach der Nummer n. Ein Elektronen, das auf eine niedrigere Umlaufbahn fällt, emittiert ein Photon, das der Energiedifferenz zwischen den Umlaufbahnen entspricht.

Bis 1914 Experimente von Physikern Ernest Rutherford, Henry Moseley, James Franck und Gustav Hertz hatte die Struktur eines Atoms weitgehend als dichte etabliert Kern der positiven Ladung, die von Elektronen mit niedrigerer Masse umgeben ist.^[44] Im Jahr 1913 dänischer Physiker Niels Bohr postulierte, dass Elektronen in quantisierten Energiezuständen lebten, wobei ihre Energien durch den Winkelimpuls der Umlaufbahn des Elektrons um den Kern bestimmt wurden. Die Elektronen können sich zwischen diesen Zuständen oder Bahnen durch die Emission oder Absorption von Photonen spezifischer Frequenzen bewegen. Mit diesen quantisierten Umlaufbahnen erklärte er das genau Spektrallinien des Wasserstoffatoms.^[45] Das Modell von Bohr konnte jedoch die relativen Intensitäten der Spektrallinien nicht berücksichtigen, und es war nicht erfolgreich, die Spektren komplexerer Atome zu erklären.^[44]

Chemische Bindungen zwischen Atomen wurden durch erklärt durch Gilbert Newton Lewis, der 1916 vorschlug, dass a kovalente Bindung Zwischen zwei Atomen wird durch zwei zwischen ihnen geteilte Elektronen aufrechterhalten.^[46] Später 1927, Walter Heitler und Fritz London gab die vollständige Erklärung der Elektronenpaarbildung und chemischen Bindung in Bezug auf Quantenmechanik.^[47] 1919 der amerikanische Chemiker Irving Langmuir Auf dem statischen Modell des Atoms der Lewis erläutert und schlug vor, dass alle Elektronen in aufeinanderfolgenden "konzentrischen (nahezu) kugelförmigen Schalen, alle gleicher Dicke" verteilt waren.^[48] Im Gegenzug teilte er die Schalen in eine Reihe von Zellen auf, die jeweils ein Elektronenpaar enthielten. Mit diesem Modell konnte Langmuir das qualitativ erklären chemische Eigenschaften von allen Elementen in der Periodenzüchter,,^[47] Es war bekannt, dass sie sich weitgehend nach dem wiederholen regelmäßiges Gesetz.^[49]

Im Jahr 1924 der österreichische Physiker Wolfgang Pauli beobachtete, dass die schalenartige Struktur des Atoms durch einen Satz von vier Parametern erklärt werden konnte, die jeden Zustand der Quantenenergie definierten, solange jeder Zustand von nicht mehr als einem einzigen Elektron besetzt war. Dieses Verbot gegen mehr als ein Elektron, das denselben Zustand der Quantenenergie besetzte, wurde als die bekannt wie die Pauli -Ausschlussprinzip.^[50] Der physikalische Mechanismus zur Erklärung des vierten Parameters, der zwei unterschiedliche mögliche Werte aufwies, wurde von den niederländischen Physikern bereitgestellt Samuel Goudsmit und George Uhlenbeck. 1925 schlugen sie vor, dass ein Elektron zusätzlich zum Winkelimpuls seiner Umlaufbahn einen intrinsischen Winkelimpuls besitzt und Magnetischer Dipolmoment.^[44][51] Dies ist analog zur Rotation der Erde auf ihrer Achse, während sie die Sonne umkreist. Der intrinsische Winkelimpuls wurde als bekannt als drehen, und erklärte die bisher mysteriöse Aufteilung von Spektrallinien, die mit einer hochauflösenden Auflösung beobachtet wurden Spektrograph; Dieses Phänomen ist bekannt als Feine Struktur Aufteilung.^[52]

Quantenmechanik

In seiner Dissertation von 1924 Recherches sur la théorie des quanta (Forschung zur Quantentheorie), französischer Physiker Louis de Broglie Hypothese, dass alle Materie als als dargestellt werden können De Broglie Wave in der Art von hell.^[53] Das heißt, unter den geeigneten Bedingungen würden Elektronen und andere Materie Eigenschaften von Partikeln oder Wellen zeigen. Das korpuskuläre Eigenschaften Es wird gezeigt, dass ein Partikel zu jedem Zeitpunkt eine lokalisierte Position im Weltraum entlang seiner Flugbahn hat.^[54] Die wellenähnliche Natur des Lichts wird zum Beispiel angezeigt, wenn ein Lichtstrahl durch parallele Sitter geleitet wird, wodurch erzeugt wird Interferenz Muster. Im Jahr 1927, George Paget Thomson entdeckte, dass der Interferenzeffekt erzeugt wurde, als ein Elektronenstrahl durch dünne Metallfolien und von amerikanischen Physikern geleitet wurde Clinton Davisson und Lester Germer durch die Reflexion von Elektronen aus einem Kristall von Nickel.^[55]

In der Quantenmechanik wird das Verhalten eines Elektrons in einem Atom von einem beschrieben Orbital, was eher eine Wahrscheinlichkeitsverteilung als eine Umlaufbahn ist. In der Abbildung zeigt die Schattierung die relative Wahrscheinlichkeit an, das Elektron zu "zu finden", wobei die Energie dem gegebenen entspricht Quantenzahlen, an diesem Punkt.

De Broglies Vorhersage einer Wellen Natur für Elektronenleitungen Erwin Schrödinger postulieren eine Wellengleichung für Elektronen, die sich unter dem Einfluss des Kerns im Atom bewegen. 1926 diese Gleichung, die, die Schrödinger Gleichungbeschrieben erfolgreich, wie sich Elektronenwellen ausbreiteten.^[56] Anstatt eine Lösung zu erzielen, die die Position eines Elektrons im Laufe der Zeit bestimmt hat, konnte diese Wellengleichung auch verwendet werden Wellengleichungen änderten sich nicht zeitlich. Dieser Ansatz führte zu einer zweiten Formulierung von Quantenmechanik (Der erste von Heisenberg im Jahr 1925) und Lösungen der Schrödinger -Gleichung wie Heisenbergs lieferten Ableitungen der Energiezustände eines Elektrons in einem Wasserstoffatom, das denen entspricht, die denen, die 1913 zuerst von Bohr abgeleitet worden waren, und die bekannt waren, und die bekannt waren, und die bekannt waren, und die bekannt waren, und die bekannt waren, und die bekannt waren, und die bekannt waren, und die bekannt waren das Wasserstoffspektrum reproduzieren.^[57] Sobald Spin und die Wechselwirkung zwischen mehreren Elektronen beschrieben wurden, ermöglichte es die Quantenmechanik, die Konfiguration von Elektronen in Atomen mit Atomzahlen höher als Wasserstoff vorherzusagen.^[58]

1928 bauen Sie auf Wolfgang Paulis Arbeit auf, Paul Dirac produzierte ein Modell des Elektrons - das Dirac -Gleichung, in Übereinstimmung mit Relativität Theorie, indem relativistische und symmetrische Überlegungen auf die Anwendung angewendet werden Hamiltonian Formulierung der Quantenmechanik des elektromagnetischen Feldes.^[59] Um einige Probleme in seiner relativistischen Gleichung zu lösen, entwickelte sich Dirac 1930 als Modell des Vakuums als unendliches Partikelmeer mit negativer Energie, das später als das genannt wurde Dirac Sea. Dies führte ihn dazu, die Existenz eines Positrons vorherzusagen, die Antimaterie Gegenstück zum Elektron.^[60] Dieses Teilchen wurde 1932 von entdeckt Carl Anderson, wer schlug vor, Standardelektronen anzurufen Negatrons und verwenden Elektron als generischer Begriff, um sowohl die positiv als auch negativ geladenen Varianten zu beschreiben.

1947, Willis Lamb, Zusammenarbeit in Zusammenarbeit mit Doktorandenstudenten Robert Retherfordstellten fest, dass bestimmte Quantenzustände des Wasserstoffatoms, die die gleiche Energie aufweisen sollten, in Bezug aufeinander verschoben wurden; Der Unterschied wurde als die genannt Lammverschiebung. Etwa zur gleichen Zeit, Polykarp Kusch, arbeiten mit Henry M. Foley, entdeckte das magnetische Moment des Elektrons ist etwas größer als durch Diracs Theorie vorhergesagt. Dieser kleine Unterschied wurde später genannt anomaler magnetischer Dipolmoment des Elektrons. Dieser Unterschied wurde später durch die Theorie von erklärt Quantenelektrodynamik, entwickelt von Sin-iTiro Tomonaga, Julian Schwinger undRichard Feynman Ende der 1940er Jahre.^[61]

Partikelbeschleuniger

Mit der Entwicklung der Partikelbeschleuniger In der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts begannen sich Physiker, tiefer in die Eigenschaften von zu tauchen subatomare Partikel.^[62] Der erste erfolgreiche Versuch, Elektronen zu beschleunigen Elektromagnetische Induktion wurde 1942 von gemacht von Donald Kerst. Sein Anfang Betatron Erreichte Energien von 2,3 MeV, während nachfolgende Betatrons 300 MeV erreichten. 1947, Synchrotronstrahlung wurde mit einem 70 MeV -Elektronensynchrotron bei entdeckt General Electric. Diese Strahlung wurde durch die Beschleunigung von Elektronen durch ein Magnetfeld verursacht, als sie sich in der Nähe der Lichtgeschwindigkeit bewegten.^[63]

Mit einer Strahlergie von 1,5 Gev, dem ersten energiereicher Partikel Kollider war Adone, die 1968 den Betrieb begann.^[64] Dieses Gerät beschleunigte Elektronen und Positronen in entgegengesetzte Richtungen und verdoppelte die Energie ihrer Kollision effektiv im Vergleich zu einem statischen Ziel mit einem Elektron.^[65] Das Großer Elektronenpositron -Kollider (LEP) bei Cern, die von 1989 bis 2000 in Betrieb war, Kollisionsenergien von 209 GeV erreicht und wichtige Messungen für die Standardmodell der Teilchenphysik.^[66][67]

Einschränkung einzelner Elektronen

Einzelne Elektronen können jetzt leicht in ultra klein beschränkt werden (L = 20 nm, W = 20 nm) CMOS -Transistoren, die bei kryogener Temperatur über einen Bereich von –269 ° C betrieben wurden (4K) bis etwa –258 ° C (15K).^[68] Die Elektronenwellenfunktion breitet sich in einem Halbleitergitter aus und interagiert vernachlässigbar mit den Valenzbandelektronen Effektiver Massenzensor.

Eigenschaften

Einstufung

Standardmodell von Elementarpartikeln. Das Elektron (Symbol E) befindet sich links.

In dem Standardmodell Die Teilchenphysik gehören Elektronen zur Gruppe von subatomaren Partikeln, die genannt werden Leptons, von denen angenommen wird, dass sie grundlegend sind oder Elementarteilchen. Elektronen haben die niedrigste Masse eines geladenen Leptons (oder elektrisch geladenes Teilchen jeglicher Art) und gehören zum ersten.Generation von grundlegenden Partikeln.^[69] Die zweite und dritte Generation enthält geladene Leptons, die Myon und die Tau, die mit dem verantwortlichen Elektron identisch sind, drehen und Interaktionen, sind aber massiver. Leptons unterscheiden sich von den anderen Grundbestandteilen der Materie, die Quarks, durch ihren Mangel an starke Interaktion. Alle Mitglieder der Lepton-Gruppe sind Fermionen, weil sie alle einen halben Ganzzahl-Spin haben; Das Elektron hat Spin 1/2.^[70]

Grundlegende Eigenschaften

Das invariante Messe eines Elektrons ist ungefähr 9.109×10^–31Kilogramm,^[71] oder 5.489×10^–4 Atommasseneinheiten. Wegen Massen -Energie -ÄquivalenzDies entspricht einer Ruheenergie von 0,511 mev. Das Verhältnis zwischen der Masse von a Proton und das eines Elektrons ist ungefähr 1836.^[11][72] Astronomische Messungen zeigen, dass die Proton zu Elektronenmassenverhältnis hat den gleichen Wert wie das Standardmodell für mindestens die Hälfte der Hälfte des Standardmodells gehalten Alter des Universums.^[73]

Elektronen haben eine elektrische Ladung von –1.602176634×10^–19 Coulombs,^[71] die als Standardladungseinheit für subatomare Partikel verwendet wird und auch als die genannt wird Grundladung. Innerhalb der Grenzen der experimentellen Genauigkeit ist die Elektronenladung mit der Ladung eines Protons identisch, jedoch mit dem entgegengesetzten Vorzeichen.^[74] Als Symbol e wird für die verwendet GrundladungDas Elektron wird üblicherweise durch symbolisiert durch
e⁻
, wo das Minuszeichen die negative Ladung angibt. Das Positron wird durch symbolisiert
e⁺
Weil es die gleichen Eigenschaften hat wie das Elektron, aber eher eine positive als eine negative Ladung.^[70][71]

Das Elektron hat ein intrinsisch Winkelimpuls oder drehen von 1/2.^[71] Diese Eigenschaft wird normalerweise angegeben, indem sich das Elektron als A bezieht drehen- 1/2 Partikel.^[70] Für solche Partikel ist die Spingröße ħ/2,^[75][e] während das Ergebnis der Messung von a Projektion der Spin auf jeder Achse kann nur ± seinħ/2. Zusätzlich zu Spin hat das Elektron ein intrinsisch magnetisches Moment entlang seiner Spinachse.^[71] Es ist ungefähr gleich einem Bohr Magneton,^[76][f] Welches ist eine physische Konstante, die gleich ist 9.27400915(23)×10^–24 Joule pro Tesla.^[71] Die Ausrichtung des Spin in Bezug auf die Impuls des Elektrons definiert die Eigenschaft von Elementarpartikeln, die als bekannt sind Helizität.^[77]

Das Elektron hat nicht bekannt Unterstruktur.^[1][78] Trotzdem in Physik der kondensierten Materie, Spin -Ladungs ​​-Trennung kann in einigen Materialien auftreten. In solchen Fällen spalteten sich die Elektronen in drei unabhängige Partikel, die, die Spinon, das Orbiton und die Holon (oder Chargon). Das Elektron kann immer theoretisch als ein gebundener Zustand der drei betrachtet werden, wobei der Spinon den Spin des Elektrons trägt, dem Orbiton, der den Orbital -Freiheitsgrad und den Chargon mit der Ladung trägt, aber unter bestimmten Bedingungen können sie sich als unabhängig verhalten Quasipartikel.^[79][80][81]

Das Problem des Radius des Elektrons ist ein herausforderndes Problem der modernen theoretischen Physik. Die Zulassung der Hypothese eines endlichen Radius des Elektrons ist mit den Prämissen der Relativitätstheorie unvereinbar. Andererseits erzeugt ein punktartiges Elektron (Nullradius) schwerwiegende mathematische Schwierigkeiten aufgrund der Selbstbedingung des Elektrons neigen zur Unendlichkeit.^[82] Beobachtung eines einzelnen Elektrons in a Penning -Falle schlägt die Obergrenze des Radius des Partikels auf 10 vor^–22Meter.^[83] Die Obergrenze des Elektronenradius von 10^–18Meter^[84] kann mit dem abgeleitet werden Unsicherheitsbeziehung in Energie. Dort ist auch eine physische Konstante genannt ""Klassischer Elektronenradius", mit dem viel größeren Wert von 2.8179×10^–15m, größer als der Radius des Protons. Die Terminologie ergibt sich jedoch aus einer simplen Berechnung, die die Auswirkungen von ignoriert Quantenmechanik; In Wirklichkeit hat der sogenannte klassische Elektronenradius wenig mit der wahren grundlegenden Struktur des Elektrons zu tun.^[85][86][g]

Es gibt Elementarteilchen das spontan Verfall in weniger massive Partikel. Ein Beispiel ist das Myon, mit einer Mittelleben von 2.2×10^–6Sekunden, die in ein Elektron zerfallen, einen Myon Neutrino und ein Elektron Antineutrino. Das Elektron hingegen wird aus theoretischen Gründen als stabil angesehen: Das Elektron ist das am wenigsten massiv Erhaltung des Gebührs.^[87] Die experimentelle Untergrenze für die mittlere Lebensdauer des Elektrons ist 6.6×10²⁸ Jahre mit 90% Vertrauensniveau.^[8][88][89]

Quanteneigenschaften

Wie bei allen Partikeln können Elektronen als Wellen wirken. Dies nennt man die Wellen -Partikel -Dualität und kann mit dem nachgewiesen werden Doppel-Slit-Experiment.

Die wellenähnliche Natur des Elektrons ermöglicht es ihm, zwei parallele Sitter gleichzeitig zu durchlaufen, anstatt nur ein Schlitz, wie es für ein klassisches Teilchen der Fall wäre. In der Quantenmechanik kann die wellenartige Eigenschaft eines Teilchens mathematisch als a beschrieben werden Komplex-Valierte Funktion, die, die Wellenfunktion, üblicherweise mit dem griechischen Buchstaben psi (bezeichnetψ). Wenn der absoluter Wert dieser Funktion ist kariertEs gibt die Wahrscheinlichkeit, dass ein Teilchen in der Nähe eines Ortes beobachtet wird - a Wahrscheinlichkeitsdichte.^{[90]: 162–218}

Beispiel einer antisymmetrischen Wellenfunktion für einen Quantenzustand von Zwei identische Fermionen in einer 1-dimensionalen Box. Wenn die Partikelposition tauschen, umdreht die Wellenfunktion ihr Vorzeichen.

Elektronen sind identische Partikel Weil sie nicht durch ihre intrinsischen physikalischen Eigenschaften voneinander unterschieden werden können. In der Quantenmechanik bedeutet dies, dass ein Paar interagierender Elektronen in der Lage sein muss, Positionen ohne eine beobachtbare Änderung des Systems des Systems auszutauschen. Die Wellenfunktion von Fermionen, einschließlich Elektronen, ist antisymmetrisch, was bedeutet, dass sie sich verändert, wenn zwei Elektronen getauscht werden. das ist, ψ(r₁, r₂) = -ψ(r₂, r₁), wo die Variablen r₁ und r₂ entsprechen den ersten bzw. zweiten Elektronen. Da der absolute Wert nicht durch einen Vorzeichen -Swap geändert wird, entspricht dies den gleichen Wahrscheinlichkeiten. Bosonenwie das Photon haben stattdessen symmetrische Wellenfunktionen.^{[90]: 162–218}

Im Fall von Antisymmetrie führen Lösungen der Wellengleichung für Wechselwirkung von Elektronen zu a Nullwahrscheinlichkeit dass jedes Paar den gleichen Ort oder den gleichen Zustand einnimmt. Dies ist verantwortlich für die Pauli -Ausschlussprinzip, was zwei beliebige Elektronen daran hindert, den gleichen Quantenzustand zu besetzen. Dieses Prinzip erklärt viele Eigenschaften von Elektronen. Zum Beispiel führt es dazu, dass Gruppen gebundener Elektronen unterschiedlich einnehmen Orbitale in einem Atom, anstatt sich gegenseitig in derselben Umlaufbahn zu überlappen.^{[90]: 162–218}

Virtuelle Partikel

In einem vereinfachten Bild, das oft dazu neigt, die falsche Idee zu geben, aber einige Aspekte veranschaulichen kann vernichten Kurz darauf.^[91] Die Kombination der Energievariation, die zur Erzeugung dieser Partikel erforderlich ist, und die Zeit, in der sie existieren, fallen unter die von der Ausdrücke ausgedrückte Nachweisbarkeit Heisenberg Unsicherheitsbeziehung, ΔE· Δt≥ħ. Tatsächlich die Energie, die zur Erzeugung dieser virtuellen Partikel benötigt wird, δ, ΔE, kann von der "geliehen" werden Vakuum Für einen bestimmten Zeitraum Δ Δt, so dass ihr Produkt nicht mehr als das ist Reduzierte Planckkonstante, ħ ≈ 6.6×10^–16ev · s. Somit für ein virtuelles Elektron δ, für ein virtuelles Elektront ist höchstens 1.3×10^–21s.^[92]

Eine schematische Darstellung virtueller Elektronenpositronenpaare, die zufällig in der Nähe eines Elektrons (am unteren linken links) erscheinen

Während ein virtuelles Elektron -Positron -Paar existiert, die Coulomb -Kraft aus der Umgebung elektrisches Feld Um ein Elektron zu umgeben, wird ein geschaffenes Positron vom ursprünglichen Elektron angezogen, während ein geschaffenes Elektron eine Abstoßung erlebt. Dies verursacht das, was genannt wird Vakuumpolarisation. Tatsächlich verhält sich das Vakuum wie ein Medium mit a dielektrische Permittivität mehr als Einheit. Somit ist die effektive Ladung eines Elektrons tatsächlich kleiner als der wahre Wert, und die Ladung nimmt mit zunehmendem Abstand vom Elektron ab.^[93][94] Diese Polarisation wurde 1997 mit dem Japaner experimentell bestätigt Tristan Partikelbeschleuniger.^[95] Virtuelle Partikel verursachen eine vergleichbare Abschirmeffekt für die Masse des Elektrons.^[96]

Die Wechselwirkung mit virtuellen Partikeln erklärt auch die kleine (ca. 0,1%) Abweichung des intrinsischen magnetischen Moments des Elektrons vom Bohr Magneton (der anomaler magnetischer Moment).^[76][97] Die außerordentlich genaue Übereinstimmung dieses vorhergesagten Unterschieds mit dem experimentell bestimmten Wert wird als eine der großen Errungenschaften von angesehen Quantenelektrodynamik.^[98]

Das scheinbare Paradoxon in klassische Physik Von einem Punktpartikelelektron mit intrinsischem Winkelimpuls und magnetischem Moment kann durch die Bildung von erklärt werden Virtuelle Photonen im elektrischen Feld vom Elektron erzeugt. Diese Photonen können heuristisch betrachtet werden, als das Elektron auf nervöses Weise herumläuft (bekannt als Zitterbewegung), was zu einer Nettokreisbewegung mit führt Präzession.^[99] Diese Bewegung erzeugt sowohl den Spin als auch das magnetische Moment des Elektrons.^[10] In Atomen erklärt diese Schaffung virtueller Photonen das Lammverschiebung beobachtet in Spektrallinien.^[93] Die Compton -Wellenlänge zeigt, dass die Unsicherheit der Energie in der Nähe von Elementarpartikeln wie dem Elektron die Erstellung virtueller Partikel in der Nähe des Elektrons ermöglicht. Diese Wellenlänge erklärt die "statische" virtuelle Partikel um Elementarpartikel in enger Entfernung.

Interaktion

Ein Elektron erzeugt ein elektrisches Feld, das eine attraktive Kraft auf ein Partikel mit einer positiven Ladung wie dem Proton und eine abstoßende Kraft auf ein Partikel mit negativer Ladung ausübt. Die Stärke dieser Kraft in nicht -relativistischer Näherung wird durch bestimmt Coulombs inverser Quadratgesetz.^{[100]: 58–61} Wenn ein Elektron in Bewegung ist, erzeugt es a Magnetfeld.^{[90]: 140} Das Ampère -Maxwell -Gesetz bezieht das Magnetfeld auf die Massenbewegung von Elektronen (das aktuell) in Bezug auf einen Beobachter. Diese Eigenschaft der Induktion liefert das Magnetfeld, das eine antreibt Elektromotor.^[101] Das elektromagnetische Feld eines willkürlichen sich bewegenden geladenen Teilchens wird durch die ausgedrückt Liénard -wiechertpotentiale, die auch dann gültig sind, wenn die Geschwindigkeit des Teilchens nahe an Licht ist (relativistisch).^{[100]: 429–434}

Ein Teilchen mit Ladung q (links) bewegt sich mit Geschwindigkeit v durch ein Magnetfeld B Das ist auf den Betrachter ausgerichtet. Für ein Elektron, q ist negativ, so dass es einer gekrümmten Flugbahn nach oben folgt.

Wenn sich ein Elektron durch ein Magnetfeld bewegt, ist es dem ausgesetzt Lorentz Force Das wirkt senkrecht zur Ebene, die durch das Magnetfeld und die Elektronengeschwindigkeit definiert ist. Dies Zentripetalkraft veranlasst das Elektron, a zu folgen helikal Flugbahn durch das Feld an einem Radius genannt Gyroradius. Die Beschleunigung dieser geschwungenen Bewegung induziert das Elektron, um Energie in Form von Synchrotronstrahlung auszustrahlen.^{[102][h][90]: 160} Die Energieemission führt wiederum einen Rückstoß des Elektrons, bekannt als die Abraham -Lorentz -Dirac -Kraft, was eine Reibung erzeugt, die das Elektron verlangsamt. Diese Kraft wird durch a verursacht Rückreaktion des Elektronenfeldes auf sich selbst.^[103]

Hier wird Bremsstrahlung von einem Elektron produziert e abgelenkt durch das elektrische Feld eines Atomkerns. Die Energieveränderung E₂-E₁ bestimmt die Häufigkeit f des emittierten Photons.

Photonen vermitteln elektromagnetische Wechselwirkungen zwischen Partikeln in Quantenelektrodynamik. Ein isoliertes Elektron in einer konstanten Geschwindigkeit kann ein reales Photon nicht emittieren oder absorbieren; Dies würde verletzen Energieerhaltung und Schwung. Stattdessen können virtuelle Photonen die Impuls zwischen zwei geladenen Partikeln übertragen. Dieser Austausch virtueller Photonen zum Beispiel erzeugt die Coulomb -Kraft.^[104] Energieemission kann auftreten, wenn ein sich bewegendes Elektron von einem geladenen Teilchen wie einem Proton abgelenkt wird. Die Beschleunigung des Elektrons führt zur Emission von Bremsstrahlung Strahlung.^[105]

Eine unelastische Kollision zwischen einem Photon (Licht) und einem einzelnen (freien) Elektron wird genannt Compton Streuung. Diese Kollision führt zu einer Übertragung von Impuls und Energie zwischen den Partikeln, die die Wellenlänge des Photons um eine Menge bezeichnet Compton Shift.^[ich] Die maximale Größe dieser Wellenlängenverschiebung ist h/m_ec, was als die bekannt ist Compton Wellenlänge.^[106] Für ein Elektron hat es einen Wert von 2.43×10^–12m.^[71] Wenn die Wellenlänge des Lichts lang ist (zum Beispiel die Wellenlänge der Wellenlänge sichtbares Licht ist 0,4–0,7 μm) Die Wellenlängenverschiebung wird vernachlässigbar. Eine solche Wechselwirkung zwischen leichten und freien Elektronen wird genannt Thomson Streuung oder lineare Thomson -Streuung.^[107]

Die relative Stärke der elektromagnetischen Wechselwirkung zwischen zwei geladenen Partikeln wie einem Elektron und einem Proton wird von der gegeben Feinstrukturkonstante. Dieser Wert ist eine dimensionslose Menge, die durch das Verhältnis von zwei Energien gebildet wird: die elektrostatische Energie der Anziehung (oder Abstoßung) bei einer Trennung einer Compton -Wellenlänge und der Restenergie der Ladung. Es wird gegeben durch α≈7.297353×10^–3, was ungefähr gleich ist 1/137.^[71]

Wenn Elektronen und Positronen kollidieren, sind sie vernichten einander und führt zu zwei oder mehr Gammastrahlenphotonen. Wenn das Elektron und das Positron vernachlässigbare Dynamik haben, a Positronium -Atom Kann sich vor der Vernichtung bilden, die zu zwei oder drei Gammastrahlenphotonen mit insgesamt 1,022 MeV führt.^[108][109] Andererseits kann sich ein energiegeladenes Photon durch einen genannten Prozess in ein Elektron und ein Positron verwandeln Paarproduktion, aber nur in Gegenwart eines in der Nähe geladenen Partikels wie eines Kerns.^[110][111]

In der Theorie von Electrowak -Wechselwirkung, das linkshändig Komponente der Wellenfunktion von Elektronen bildet a Schwaches Isospin Doublet mit dem Elektronenneutrino. Das bedeutet das während schwache Wechselwirkungen, Elektronenneutrinos verhalten sich wie Elektronen. Jedes Mitglied dieses Dubletts kann a geladener Strom Wechselwirkung durch Emission oder Absorption a
W
und in das andere Mitglied umgewandelt werden. Die Ladung wird während dieser Reaktion erhalten, da der W -Boson auch eine Gebühr erbringt und während der Transmutation jegliche Nettoveränderung abgesagt wird. Geladene aktuelle Wechselwirkungen sind für das Phänomen von verantwortlich Beta -Verfall in einem radioaktiv Atom. Sowohl das Elektron als auch das Elektronen -Neutrino können a neutraler Strom Interaktion über a
Z⁰
Austausch, und dies ist für Neutrino-Electron verantwortlich elastische Streuung.^[112]

Atome und Moleküle

Wahrscheinlichkeitsdichten für die ersten Wasserstoffatomorbitale, die im Querschnitt zu sehen sind. Das Energieniveau eines gebundenen Elektrons bestimmt das von ihm eingestellte Orbital, und die Farbe spiegelt die Wahrscheinlichkeit wider, das Elektron an einer bestimmten Position zu finden.

Ein Elektron kann sein gebunden zum Kern eines Atoms durch die attraktive Coulomb -Kraft. Ein System von einem oder mehreren Elektronen, die an einen Kern gebunden sind, wird als Atom bezeichnet. Wenn sich die Anzahl der Elektronen von der elektrischen Ladung des Kerns unterscheid Ion. Das wellenähnliche Verhalten eines gebundenen Elektrons wird durch eine Funktion beschrieben, die als eine bezeichnet wird Atomkugel. Jedes Orbital hat seine eigene Menge an Quantenzahlen wie Energie, Winkelimpuls und Projektion des Winkelimpulses, und es gibt nur eine diskrete Menge dieser Orbitale um den Kern. Nach dem Pauli -Ausschlussprinzip kann jedes Orbital von bis zu zwei Elektronen besetzt werden, die sich in ihrem unterscheiden müssen Quantenzahl Spin.

Elektronen können durch die Emission oder Absorption von Photonen zwischen verschiedenen Orbitalen mit einer Energie übertragen, die dem Potentialunterschied entspricht.^{[113]: 159–160} Andere Methoden der Orbitalübertragung umfassen Kollisionen mit Partikeln wie Elektronen und der Augereffekt.^[114] Um aus dem Atom zu entkommen, muss die Energie des Elektrons über seinen Erhöhungen erhöht werden Bindungsenergie zum Atom. Dies geschieht zum Beispiel mit dem photoelektrischer Effekt, wo ein Vorfallphoton das Atom überschreitet Ionisationsenergie wird vom Elektron absorbiert.^{[113]: 127–132}

Der orbitale Winkelimpuls von Elektronen ist quantisiert. Da das Elektron aufgeladen ist, erzeugt es ein orbitales magnetisches Moment, das proportional zum Winkelimpuls ist. Das Netto -Magnetmoment eines Atoms entspricht der Vektorsumme von Orbital- und Spin -Magnetmomenten aller Elektronen und des Kerns. Das magnetische Moment des Kerns ist im Vergleich zu den Elektronen vernachlässigbar. Die magnetischen Momente der Elektronen, die dasselbe Orbital (so genannte, gepaarte Elektronen) einnehmen, stürzen sich gegenseitig.^[115]

Das chemische Bindung Zwischen Atomen tritt als Ergebnis elektromagnetischer Wechselwirkungen auf, wie durch die Gesetze der Quantenmechanik beschrieben.^[116] Die stärksten Bindungen werden von der gebildet Teilen oder Transfer von Elektronen zwischen Atomen, die die Bildung von ermöglichen Moleküle.^[13] Innerhalb eines Moleküls bewegen sich die Elektronen unter dem Einfluss mehrerer Kerne und besetzen Molekulare Orbitale; So wie sie atomare Orbitale in isolierten Atomen besetzen können.^[117] Ein grundlegender Faktor in diesen molekularen Strukturen ist die Existenz von Elektronenpaare. Dies sind Elektronen mit entgegengesetzten Spins, die es ihnen ermöglichen, dasselbe molekulare Orbital zu besetzen, ohne gegen das Pauli -Ausschlussprinzip zu verstoßen (ähnlich wie in Atomen). Unterschiedliche molekulare Orbitale haben eine unterschiedliche räumliche Verteilung der Elektronendichte. Zum Beispiel können in gebundenen Paaren (d. H. In den Paaren, die Atome tatsächlich miteinander verbinden) Elektronen mit der maximalen Wahrscheinlichkeit in einem relativ kleinen Volumen zwischen den Kernen gefunden. Im Gegensatz dazu sind in nicht gebundenen Paaren Elektronen in einem großen Volumen um Kerne verteilt.^[118]

Leitfähigkeit

A Blitz Die Entladung besteht hauptsächlich aus einem Elektronenfluss.^[119] Das für den Blitz benötigte elektrische Potential kann durch einen triboelektrischen Effekt erzeugt werden.^[120][121]

Wenn ein Körper mehr oder weniger Elektronen hat, als erforderlich ist, um die positive Ladung der Kerne auszugleichen, hat dieses Objekt eine elektrische Nettoladung. Wenn es einen Überschuss an Elektronen gibt, soll das Objekt negativ aufgeladen sein. Wenn es weniger Elektronen als die Anzahl der Protonen in Kernen gibt, soll das Objekt positiv geladen werden. Wenn die Anzahl der Elektronen und die Anzahl der Protonen gleich sind, stornieren sich ihre Ladungen gegenseitig und das Objekt wird als elektrisch neutral bezeichnet. Ein makroskopischer Körper kann eine elektrische Ladung durch Reiben durch die entwickeln TROMELektrischer Effekt.^[122]

Unabhängige Elektronen, die sich im Vakuum bewegen, werden bezeichnet frei Elektronen. Elektronen in Metallen verhalten sich auch so, als wären sie frei. In Wirklichkeit sind die Partikel, die üblicherweise Elektronen in Metallen und anderen Feststoffen bezeichnet werden, Quasi-Elektronen-Quasipartikel, die die gleiche elektrische Ladung, Spin und den gleichen magnetischen Moment wie reale Elektronen haben, aber möglicherweise eine andere Masse haben.^[123] Wenn freie Elektronen - sowohl im Vakuum als auch im Metalle - produzieren, produzieren sie a Nettofluss der Ladung bezeichnet elektrischer Strom, was ein Magnetfeld erzeugt. Ebenso kann ein Strom durch ein sich ändernes Magnetfeld erzeugt werden. Diese Interaktionen werden mathematisch durch beschrieben Maxwells Gleichungen.^[124]

Bei einer bestimmten Temperatur hat jedes Material eine elektrische Leitfähigkeit das bestimmt den Wert des elektrischen Stroms, wenn a elektrisches Potenzial wird angewandt. Beispiele für gute Leiter umfassen Metalle wie Kupfer und Gold, während Glas und Teflon sind arme Leiter. In irgendeiner Dielektrikum Material, die Elektronen bleiben an ihre jeweiligen Atome gebunden, und das Material verhält sich wie ein Isolator. Die meisten Halbleiter eine variable Leitfähigkeitsniveau haben, die zwischen den Extremen von Leitung und Isolierung liegt.^[125] Auf der anderen Seite, Metalle einen haben elektronische Bandstruktur mit teilweise gefüllten elektronischen Bändern. Das Vorhandensein solcher Bänder ermöglicht es Elektronen in Metallen, sich so zu verhalten, als wären sie frei oder Delokalisierte Elektronen. Diese Elektronen sind nicht mit bestimmten Atomen verbunden. Wenn ein elektrisches Feld angewendet wird, können sie sich wie ein Gas bewegt (genannt Fermi -Gas)^[126] durch das Material ähnlich wie freie Elektronen.

Aufgrund von Kollisionen zwischen Elektronen und Atomen die Driftgeschwindigkeit von Elektronen in einem Leiter befindet sich in der Größenordnung von Millimetern pro Sekunde. Die Geschwindigkeit, bei der eine Stromänderung an einem Punkt im Material jedoch Änderungen der Ströme in anderen Teilen des Materials verursacht, die Geschwindigkeit der Ausbreitungist normalerweise etwa 75% der Lichtgeschwindigkeit.^[127] Dies tritt auf, weil sich elektrische Signale als Welle ausbreiten, wobei die Geschwindigkeit von der abhängig ist Dielektrizitätskonstante des Materials.^[128]

Metalle machen relativ gute Leiter der Wärme, vor allem, weil die delokalisierten Elektronen freie Wärmeenergie zwischen Atomen transportieren können. Im Gegensatz zur elektrischen Leitfähigkeit ist die thermische Leitfähigkeit eines Metalls jedoch nahezu unabhängig von der Temperatur. Dies wird mathematisch von der ausgedrückt Wieemann -Franz -Gesetz,^[126] was besagt, dass das Verhältnis von Wärmeleitfähigkeit zur elektrischen Leitfähigkeit ist proportional zur Temperatur. Die thermische Störung im metallischen Gitter erhöht die Elektrik Widerstand des Materials, die eine Temperaturabhängigkeit für den elektrischen Strom erzeugen.^[129]

Wenn unter einem Punkt gekühlt namens der namens der kritische Temperatur, Materialien können sich einem Phasenübergang unterziehen, in dem sie den gesamten Widerstand gegen elektrischen Strom in einem bekannten Prozess verlieren Supraleitung. Im BCS -Theorie, Elektronenpaare genannt Cooper -Paare Lassen Sie ihre Bewegung über Gittervibrationen an die nahe gelegene Materie gekoppelt Phononenvermeiden dadurch die Kollisionen mit Atomen, die normalerweise einen elektrischen Widerstand erzeugen.^[130] (Cooper -Paare haben einen Radius von ungefähr 100 nm, sodass sie sich gegenseitig überlappen können.)^[131] Aber der Mechanismus, durch den Supraleiter höherer Temperatur Der Betrieb bleibt ungewiss.

Elektronen im Inneren leitender Feststoffe, die selbst Quasi-Partikel sind, wenn sie bei Temperaturen in der Nähe eng eingesperrt sind Absoluter Nullpunkt, verhalten sich, als hätten sie sich in drei andere geteilt Quasipartikel: Spinons, Orbitons und Holons.^[132][133] Der erstere trägt Spin und magnetisches Moment, der nächste trägt seine Orbitallage, während die letztere elektrische Ladung.

Bewegung und Energie

Entsprechend Einsteins Theorie von Spezielle Relativität, als sich die Geschwindigkeit eines Elektrons nähert Lichtgeschwindigkeitaus Sicht eines Beobachters seine Sicht Relativistische Masse Erhöht sich und macht es immer schwieriger, es aus dem Referenzrahmen des Beobachters zu beschleunigen. Die Geschwindigkeit eines Elektrons kann sich nähern, aber niemals die Lichtgeschwindigkeit in einem Vakuum erreichen, c. Wenn relativistische Elektronen jedoch Elektronen mit einer Geschwindigkeit in der Nähe sind c- werden in ein dielektrisches Medium wie Wasser injiziert, wo die lokale Lichtgeschwindigkeit deutlich geringer ist als c, die Elektronen wandern vorübergehend schneller als Licht im Medium. Wenn sie mit dem Medium interagieren, erzeugen sie ein schwaches Licht genannt Cherenkov radiation.^[134]

Lorentz -Faktor als Funktion der Geschwindigkeit. Es beginnt bei Wert 1 und geht zu unendlich als v Ansätze c.

Die Auswirkungen einer besonderen Relativitätstheorie basieren auf einer Menge, die als die bekannt ist Lorentz -Faktor, definiert als ${\ displaystyle \ scriptstyle \ gamma = 1/{\ sqrt {1- {v^{2}}/{c^{2}}}}}$ wo v ist die Geschwindigkeit des Teilchens. Die kinetische Energie K_e von einem Elektron, der sich mit Geschwindigkeit bewegt v ist:

$oder$

wo m_e ist die Masse des Elektrons. Zum Beispiel die Stanford Linear Accelerator kann beschleunigen Ein Elektron bis ungefähr 51 Gev.^[135] Da sich ein Elektron als Welle verhält, hat es bei einer bestimmten Geschwindigkeit ein Merkmal De Broglie -Wellenlänge. Dies ist gegeben durch λ_e=h/p wo h ist der Planck konstant und p ist der Schwung.^[53] Für das 51 Gev -Elektron oben ist die Wellenlänge ungefähr 2.4×10^–17m, klein genug, um Strukturen weit unter der Größe eines Atomkerns zu erforschen.^[136]

Formation

Paarproduktion eines Elektrons und eines Positrons, verursacht durch den engen Ansatz eines Photons mit einem Atomkern. Das Blitzsymbol repräsentiert einen Austausch eines virtuellen Photons, daher wirkt eine elektrische Kraft. Der Winkel zwischen den Partikeln ist sehr klein.^[137]

Das Urknall Die Theorie ist die am häufigsten anerkannte wissenschaftliche Theorie, um die frühen Stadien in der Entwicklung des Universums zu erklären.^[138] Für die erste Millisekunde des Urknalls betrugen die Temperaturen über 10 MilliardenKelvins und Photonen hatten gemeine Energien über eine Million Elektronen. Diese Photonen waren ausreichend energisch, dass sie miteinander reagieren konnten, um Paare von Elektronen und Positronen zu bilden. Ebenso haben sich Positron-Elektronenpaare gegenseitig vernichtet und energetische Photonen emittiert:

γ
+
γ
↔
e⁺
+
e⁻

Ein Gleichgewicht zwischen Elektronen, Positronen und Photonen wurde während dieser Phase der Entwicklung des Universums gehalten. Nachdem 15 Sekunden vergangen waren, fiel jedoch die Temperatur des Universums unter den Schwellenwert, an dem die Bildung von Elektronen-Positronen auftreten konnte. Die meisten der überlebenden Elektronen und Positronen vernichteten sich gegenseitig und lösten Gammastrahlung frei, die das Universum kurz aufgeheizen.^[139]

Aus Gründen, die ungewiss bleiben, gab es während des Vernichtungsprozesses einen Überschuss in der Anzahl der Partikel über Antipartikeln. Daher überlebte etwa ein Elektron für jede Milliarde Elektronenpositronpaare. Dieser Überschuss entsprach dem Überschuss an Protonen über Antiprotons in einem Zustand, der als bekannt ist Baryonasymmetrie, was zu einer Nettoladung von Null für das Universum führt.^[140][141] Die überlebenden Protonen und Neutronen begannen, an Reaktionen miteinander teilzunehmen - in dem bekannten Prozess als NucleosyntheseIsotope aus Wasserstoff und bilden Helium, mit Spurenmengen von Lithium. Dieser Vorgang erreichte nach etwa fünf Minuten ihren Höhepunkt.^[142] Alle übrig gebliebenen Neutronen wurden negativ unterzogen Beta -Verfall mit einer Halbwertszeit von ungefähr tausend Sekunden, dabei ein Proton und Elektron freigeben,

n
→
p
+
e⁻
+
ν
_e

Für ungefähr das nächste Mal 300000–400000JahreDie überschüssigen Elektronen blieben zu energisch, um sich mit zu binden Atomkerne.^[143] Was folgte, ist eine Zeit, die als bekannt ist als Rekombination, als neutrale Atome gebildet wurden und das expandierende Universum für Strahlung transparent wurde.^[144]

Ungefähr eine Million Jahre nach dem Urknall, der ersten Generation von Sterne begann sich zu formen.^[144] Innerhalb eines Sterns, Stern Nucleosynthese führt zur Herstellung von Positronen aus der Fusion von Atomkern. Diese Antimaterie -Partikel vernichten sofort mit Elektronen und geben Gammastrahlen frei. Das Nettoergebnis ist eine stetige Verringerung der Anzahl der Elektronen und eine übereinstimmende Zunahme der Anzahl der Neutronen. Der Prozess von jedoch Sternentwicklung kann zur Synthese von radioaktiven Isotopen führen. Ausgewählte Isotope können anschließend einen negativen Beta -Zerfall erfahren und ein Elektron und ein Antineutrino aus dem Kern emittieren.^[145] Ein Beispiel ist das Kobalt-60 (⁶⁰CO) ISOTOP Nickel-60 (⁶⁰
Ni
).^[146]

Eine verlängerte Luftdusche, die durch einen energiegeladenen kosmischen Strahl erzeugt wird, der die Erdatmosphäre schlägt

Am Ende seines Lebens ein Stern mit mehr als etwa 20 Sonnenmassen kann unterziehen Gravitationszusammenbruch zu bilden a schwarzes Loch.^[147] Entsprechend klassische PhysikDiese massiven Sternobjekte üben a Erdanziehungskraft Das ist stark genug, um irgendetwas zu verhindern, sogar elektromagnetische Strahlung, von der Flucht an der Schwarzschild Radius. Es wird jedoch angenommen Hawking -Strahlung in dieser Entfernung. Es wird angenommen Ereignishorizont von diesen Sternreste.

Wenn in der Nähe des Ereignishorizontes ein Paar virtueller Partikel (z. B. ein Elektron und Positron) erzeugt wird, kann eine zufällige räumliche Positionierung dazu führen, dass eine von ihnen an der Außenseite erscheint. Dieser Prozess wird genannt Quantentunnel. Das Gravitationspotential des schwarzen Lochs kann dann die Energie liefern, die dieses virtuelle Teilchen in ein reales Teilchen umwandelt und es in den Raum ausstrahlen kann.^[148] Im Austausch erhält das andere Mitglied des Paares negative Energie, was zu einem Nettoverlust der Massenergie durch das Schwarze Loch führt. Die Rate der Hawking -Strahlung nimmt mit abnehmender Masse zu, was schließlich dazu führt, dass das Schwarze Loch verschwindet, bis es schließlich explodiert.^[149]

Kosmische Strahlung sind Partikel mit hohen Energien durch den Raum. Energieereignisse von so hoch wie 3.0×10²⁰ev wurden aufgezeichnet.^[150] Wenn diese Partikel mit Nukleonen in der kollidieren ErdatmosphäreEs wird eine Partikelschauer erzeugt, einschließlich Pions.^[151] Mehr als die Hälfte der kosmischen Strahlung, die von der Erdoberfläche beobachtet wird, besteht aus Myonen. Das Partikel, das als Myon bezeichnet wird, ist ein Lepton, das durch den Zerfall eines Pion in der oberen Atmosphäre hergestellt wird.

π⁻
→
μ⁻
+
ν
_μ

Ein Myon kann wiederum zerfallen, um ein Elektron oder Positron zu bilden.^[152]

μ⁻
→
e⁻
+
ν
_e +
ν
_μ

Überwachung

Aurorae werden hauptsächlich durch energetische Elektronen verursacht, die in die ausfallen Atmosphäre.^[153]

Die Fernbeobachtung von Elektronen erfordert die Erkennung ihrer abgestrahlten Energie. Zum Beispiel in energiereicher Umgebungen wie der Corona eines Sterns bilden freie Elektronen a Plasma das strahlt Energie aus durch Bremsstrahlung Strahlung. Elektronenzas kann durchlaufen Plasma -Schwingung, was Wellen sind, die durch synchronisierte Variationen der Elektronendichte verursacht werden, und diese erzeugen Energieemissionen, die durch Verwendung erkannt werden können Radioteleskope.^[154]

Das Frequenz von a Photon ist proportional zu seiner Energie. Als gebundener Elektronen über die unterschiedliche Energieniveaus eines Atoms übergeht es Photonen bei charakteristischen Frequenzen. Zum Beispiel, wenn Atome von einer Quelle mit einem breiten Spektrum bestimmt werden dunkle Linien erscheinen im Spektrum der übertragenen Strahlung an Orten, an denen die entsprechende Frequenz durch die Elektronen des Atoms absorbiert wird. Jedes Element oder Molekül zeigt einen charakteristischen Satz von Spektrallinien wie das Wasserstoffspektralserien. Bei der Entdeckung, spektroskopisch Messungen der Stärke und Breite dieser Linien ermöglichen die Ermittlung der Zusammensetzung und der physikalischen Eigenschaften einer Substanz.^[155][156]

Unter Laborbedingungen können die Wechselwirkungen einzelner Elektronen mittels von beobachtet werden Partikeldetektoren, die die Messung spezifischer Eigenschaften wie Energie, Spin und Ladung ermöglichen.^[157] Die Entwicklung der Paul Trap und Penning -Falle Ermöglicht geladene Partikel in einem kleinen Bereich für lange Dauern. Dies ermöglicht genaue Messungen der Partikeleigenschaften. In einem Fall wurde beispielsweise eine Penning -Falle verwendet, um ein einzelnes Elektron für einen Zeitraum von 10 Monaten zu enthalten.^[158] Das magnetische Moment des Elektrons wurde zu einer Präzision von elf Ziffern gemessen, die 1980 eine größere Genauigkeit als für jede andere physikalische Konstante war.^[159]

Die ersten Videobilder der Energieverteilung eines Elektrons wurden von einem Team bei erfasst Lund University in Schweden, Februar 2008. Die Wissenschaftler verwendeten extrem kurze Lichtblitze, genannt Attosekunde Impulse, die es zum ersten Mal ermöglichten, die Bewegung eines Elektrons zu beobachten.^[160][161]

Die Verteilung der Elektronen in festen Materialien kann durch sichtbar gemacht werden Winkelaufgelöste Photoemissionsspektroskopie (ARPES). Diese Technik verwendet den photoelektrischen Effekt, um die zu messen gegenseitiger Raum- Eine mathematische Darstellung von periodischen Strukturen, die zur Abschließung der ursprünglichen Struktur verwendet werden. ARPES können verwendet werden, um die Richtung, Geschwindigkeit und Streuung von Elektronen im Material zu bestimmen.^[162]

Plasmaanwendungen

Partikelstrahlen

Während eines NASA Windkanal Test ein Modell der Space Shuttle wird durch einen Elektronenstrahl gezielt, der den Effekt von simuliert ionisieren Gase während Wiedereintritt.^[163]

Elektronenstrahlen werden in verwendet Schweißen.^[164] Sie lassen die Energiedichten bis zu 10⁷W · cm^–2 über einen schmalen Fokusdurchmesser von 0,1–1,3 mm und benötigen normalerweise kein Füllstoffmaterial. Diese Schweißtechnik muss in einem Vakuum durchgeführt werden, um zu verhindern, dass die Elektronen vor dem Erreichen ihres Ziels mit dem Gas interagieren, und kann verwendet werden, um leitfähige Materialien anzuschließen, die ansonsten für das Schweißen als ungeeignet angesehen werden.^[165][166]

Elektronenstrahllithographie (EBL) ist eine Methode zum Ätzen von Halbleitern bei Auflösungen, die kleiner als a Mikrometer.^[167] Diese Technik ist durch hohe Kosten, langsame Leistung, die Notwendigkeit, den Strahl im Vakuum und die Tendenz der Elektronen zur Streuung von Feststoffen zu betreiben. Das letzte Problem beschränkt die Auflösung auf etwa 10 nm. Aus diesem Grund wird EBL hauptsächlich für die Herstellung einer geringen Anzahl von Spezialisation verwendet integrierte Schaltkreise.^[168]

Elektronenstrahlverarbeitung wird verwendet, um Materialien zu bestrahlen, um ihre physikalischen Eigenschaften zu ändern oder sterilisieren Medizin- und Lebensmittelprodukte.^[169] Elektronenstrahlen Fluidise oder Quasi-MelT-Brille ohne signifikante Temperaturanstieg bei intensiver Bestrahlung: z. Intensive Elektronenstrahlung führt zu vielen Größenvertretern der Viskosität und einer schrittweisen Abnahme seiner Aktivierungsenergie.^[170]

Lineare Partikelbeschleuniger Erzeugen Sie Elektronenstrahlen zur Behandlung von oberflächlichen Tumoren in Strahlentherapie. Elektronentherapie kann solche Hautläsionen behandeln wie Basalzellkarzinome Weil ein Elektronenstrahl erst vor Absorption in eine begrenzte Tiefe eindringt, typischerweise bis zu 5 cm für Elektronenergien im Bereich von 5 bis 20 MeV. Ein Elektronenstrahl kann verwendet werden, um die Behandlung von Bereichen zu ergänzen, die von bestrahlt wurden durch Röntgenaufnahmen.^[171][172]

Partikelbeschleuniger Verwenden Sie elektrische Felder, um Elektronen und ihre Antipartikel zu hohen Energien zu treiben. Diese Partikel emittieren Synchrotronstrahlung, wenn sie durch Magnetfelder gehen. Die Abhängigkeit der Intensität dieser Strahlung bei Spin polarisiert den Elektronenstrahl - ein Prozess, der als der bekannt ist Sokolov -Eltern -Effekt.^[j] Polarisierte Elektronenstrahlen können für verschiedene Experimente nützlich sein. Synchrotron Strahlung kann auch Kalt Die Elektronenstrahlen, um die Impulsausbreitung der Partikel zu verringern. Elektronen- und Positronenstrahlen werden auf die beschleunigten Partikel auf die erforderlichen Energien kollidiert. Partikeldetektoren Beobachten Sie die daraus resultierenden Energieemissionen, die Teilchenphysik Studien .^[173]

Bildgebung

Elektronenbeugung mit geringer Energie (LEED) ist eine Methode, um ein kristallines Material mit a zu bombardieren Kollimierter Strahl von Elektronen und dann die resultierenden Beugungsmuster, um die Struktur des Materials zu bestimmen. Die erforderliche Energie der Elektronen liegt typischerweise im Bereich von 20–200 eV.^[174] Das Reflexion mit hochenergetischer Elektronenbeugung (RHEED) -Technik verwendet die Reflexion eines Elektronenstrahls, der in verschiedenen niedrigen Winkeln abgefeuert wurde, um die Oberfläche kristalliner Materialien zu charakterisieren. Die Strahlergie liegt typischerweise im Bereich von 8 bis 20 keV und der Inzidenzwinkel beträgt 1–4 °.^[175][176]

Das Elektronenmikroskop leitet einen fokussierten Elektronenstrahl bei einem Exemplar. Einige Elektronen ändern ihre Eigenschaften wie Bewegungsrichtung, Winkel und relative Phase und Energie, wenn der Strahl mit dem Material interagiert. Mikroskopisten können diese Änderungen im Elektronenstrahl aufzeichnen, um atomisch aufgelöste Bilder des Materials zu erzeugen.^[177] In blauem Licht, konventionell Optische Mikroskope haben eine Beugungsbegrenzung von etwa 200 nm.^[178] Im Vergleich dazu sind Elektronenmikroskope durch die begrenzt De Broglie -Wellenlänge des Elektrons. Diese Wellenlänge beispielsweise entspricht 0,0037 nm für Elektronen, die über 100.000 beschleunigt wurden.Volt Potenzial.^[179] Das Übertragungselektronenaberrationskorrigiertes Mikroskop kann eine Auflösung von unter 0,05 nm in der Lage sein, was mehr als genug ist, um einzelne Atome zu lösen.^[180] Diese Fähigkeit macht das Elektronenmikroskop zu einem nützlichen Laborinstrument für die hochauflösende Bildgebung. Elektronenmikroskope sind jedoch teure Instrumente, die kostspielig sind.

Es gibt zwei Haupttypen von Elektronenmikroskopen: Übertragung und Scannen. Transmissionselektronenmikroskope funktionieren wie Overhead -Projektoren, mit einem Elektronenstrahl, der durch ein Stück Material verläuft und dann von Objektiven auf a projiziert wird fotografische Folie oder ein Ladungsgekoppelte Gerät. Rasterelektronenmikroskope Rasteri Ein fein konzentrierter Elektronenstrahl, wie in einem Fernseher, über die untersuchte Probe, um das Bild zu erzeugen. Die Vergrößerungen reichen von 100 × bis 1.000.000 × oder höher für beide Mikroskoptypen. Das Rastertunnelmikroskop Verwendet das Quantentunneln von Elektronen von einer scharfen Metallspitze in das untersuchte Material und kann atomisch aufgelöste Bilder seiner Oberfläche erzeugen.^{[181][182][183]}

Andere Anwendungen

In dem Freielektronenlaser (Fel), a Relativistischer Elektronenstrahl geht durch ein Paar UNTERNEHMEN das enthält Arrays von Dipolmagnete deren Felder in alternierende Richtungen zeigen. Die Elektronen emittieren Synchrotronstrahlung, die zusammenhängend interagiert mit den gleichen Elektronen, um das Strahlungsfeld an der Resonanz Frequenz. FEL kann eine kohärente Hoch-Brillanz elektromagnetische Strahlung mit einer Vielzahl von Frequenzen, von Mikrowellen zu weichen Röntgenstrahlen. Diese Geräte werden in der Herstellung, Kommunikation und in medizinischen Anwendungen wie Weichteiloperationen verwendet.^[184]

Elektronen sind wichtig in Kathodenstrahlröhren, die in Laborinstrumenten ausgiebig als Anzeigegeräte verwendet wurden, Computermonitore und Fernseher.^[185] In einem Fotomultiplier Röhrchen, jedes Photon schlägt das Photokathode Initiiert eine Lawine von Elektronen, die einen nachweisbaren Stromimpuls erzeugt.^[186] Vakuumröhren Verwenden Sie den Elektronenfluss, um elektrische Signale zu manipulieren, und sie spielten eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung der Elektroniktechnologie. Sie wurden jedoch größtenteils durch Solid-State-Geräte so wie die Transistor.^[187]

Siehe auch

Anmerkungen

Verweise

Externe Links

• "Die Entdeckung des Elektrons". Zentrum für die Geschichte der Physik. Amerikanisches Institut für Physik.

• "Partikeldatengruppe". Universität von Kalifornien.

• Bock, R.K.; Vasilescu, A. (1998). Das Partikeldetektor -Briefbuch (14. Aufl.). Springer. ISBN 978-3-540-64120-9.

• Copeland, hrsg. "Sphärischer Elektron". 60 Symbole. Brady Haran für die Universität von Nottingham.