elektron

Den elektron [ eːlɛktrɔn, elɛk-, elɛktroːn ] (fra gammel gresk ἤλεκτρον Elektron “ amber ”, hvor elektrisitet ble undersøkt i antikken, laget i 1874 av Stoney og Helmholtz ) er en negativt ladet elementærpartikkel . Dens symbol er e ^- . Den alternative navn Negatron (fra nega tiv ladning og Elek tron ) blir sjelden brukt og er muligens i beta-spektroskopi felles.

Elektronene bundet i et atom eller ion danner dets elektronskall . All kjemi er i hovedsak basert på egenskapene og samspillet mellom disse bundet elektronene. I metaller , kan noen av elektronene bevege seg fritt og forårsake den høye elektriske ledningsevnen til metalliske ledere . Dette er grunnlaget for elektroteknikk og elektronikk . I halvledere kan antallet mobile elektroner og dermed den elektriske ledningsevnen lett påvirkes, både gjennom fremstilling av materialet og senere gjennom ytre påvirkninger som temperatur, elektrisk spenning , forekomst av lys osv. Dette er grunnlaget for halvlederelektronikk . Elektroner kan unnslippe fra ethvert materiale når de blir oppvarmet eller når det påføres et sterkt elektrisk felt ( glødemisjon , feltemisjon ). Som frie elektroner kan de deretter formes til en elektronstråle i vakuum ved ytterligere akselerasjon og fokusering . Dette har gjort det mulig å utvikle katodestrålerør (CRT) for oscilloskoper , TV-er og dataskjermer . Ytterligere anvendelser av frie elektroner er f.eks. B. røntgenrøret , elektronmikroskopet , elektronstrålesveising , grunnleggende fysisk forskning ved bruk av partikkelakseleratorer og generering av synkrotronstråling for forskning og tekniske formål.

Under beta-minus-forfallet til en atomkjerne genereres og sendes en ny elektron ut.

Det eksperimentelle beviset på elektronet ble først oppnådd av Emil Wiechert i 1897 og litt senere av Joseph John Thomson .

Historien om oppdagelsen av elektronet

Konseptet med den minste, udelelige mengden elektrisk ladning ble foreslått ved forskjellige anledninger rundt midten av 1800-tallet, blant annet av Richard Laming , Wilhelm Weber og Hermann von Helmholtz .

I 1874 foreslo George Johnstone Stoney eksistensen av elektriske ladebærere assosiert med atomer. Basert på elektrolysen estimerte han størrelsen på elektronladningen, men mottok en verdi som var omtrent 20 ganger for lav. På møtet til British Association i Belfast foreslo han å bruke elementærladningen som en annen grunnleggende naturlig konstant sammen med gravitasjonskonstanten og lysets hastighet som grunnlag for fysiske målesystemer. Sammen med Helmholtz laget Stoney navnet elektron for “atomets elektrisitet”.

Emil Wiechert fant i 1897 at katodestråling består av negativt ladede partikler som er mye lettere enn et atom, men stoppet så sin forskning på dette. Samme år bestemte Joseph John Thomson massen av partiklene (han refererte først til dem som corpuscules ) og var i stand til å bevise at de samme partiklene alltid er involvert, uavhengig av katodematerialet og restgassen i katodestrålerøret . I løpet av denne tiden ble Zeeman-effekten brukt til å demonstrere at disse partiklene også forekommer i atomet og forårsaker lysutslipp der. Elektronen ble dermed identifisert som en elementær partikkel.

Den elementære charge ble målt i 1909 av Robert Millikan .

egenskaper

Elektronen er den letteste av de elektrisk ladede elementære partiklene. Hvis bevaringslovene for ladning og energi gjelder - som tilsvarer all fysisk erfaring - må elektroner derfor være stabile. Faktisk er det ingen eksperimentelle bevis for elektronforfall til dags dato.

Elektronet tilhører leptonene og har, som alle leptoner, en spinn (nærmere bestemt: spinnkvantum) på 1/2. Som en partikkel med halvtallssnurr tilhører den klassen fermioner , så den er spesielt underlagt Pauli-prinsippet . Dets anti er positron , symbolet e ⁺ , med hvilken det tilsvarende i alle egenskaper med unntak av den elektriske ladning.

Noen av de grunnleggende egenskapene til elektronet som er oppført i tabellen ovenfor, er knyttet til magnetmomentet til elektronspinnet :

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

Her er det magnetiske øyeblikk av elektronspinn, den massen av elektronet, sin ladning og den spinn . kalles Landé eller g-faktor . Den Uttrykket vor , som beskriver forholdet mellom det magnetiske moment av spinn, kalles det gyromagnetiske forhold for elektronet. For elektronet, ifølge Dirac-teorien (relativistisk kvantemekanikk), ville dette være nøyaktig det samme som 2. Effekter som bare forklares av kvanteelektrodynamikk , forårsaker imidlertid et målbart lite avvik på 2. Dette avviket kalles den avvikende magnetiske øyeblikk av elektronet${\ 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}}}$ utpekt.

Standard modell av elementære partikler : de 12 basiske fermionene og de 5 basiske bosonene ; elektron rangerer blant de leptoner ett

Klassisk radius og punktlighet

Rett etter oppdagelsen av elektronet ble det forsøkt å estimere størrelsen, særlig på grunn av den klassiske ideen om små biljardkuler som kolliderer under spredningseksperimenter . Argumentet kom ned på det faktum at konsentrasjonen av elektronladningen i svært liten grad av elektronet krever energi som, i henhold til ekvivalensprinsippet, må inngå i elektronens masse. Forutsatt at energien til et elektron i hvile er dobbelt så selvenergien til elektronladningen i sitt eget elektriske felt, oppnås den klassiske elektronradien${\ displaystyle E _ {\ text {calm}} = m _ {\ mathrm {e}} \, c ^ {2}}$ ${\ displaystyle {\ frac {e ^ {2}} {4 \ pi \ varepsilon _ {0} r _ {\ mathrm {e}}}}}$

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

${\ displaystyle e}$: Elementærladning , : Kreiszahl , : Elektrisk felt konstant , : elektronmassen : lysets hastighet , : finstrukturkonstanten , : Bohr radius . ${\ displaystyle \ pi}$${\ displaystyle \ varepsilon _ {0}}$${\ displaystyle m _ {\ mathrm {e}}}$${\ displaystyle c}$${\ displaystyle \ alpha}$${\ displaystyle a_ {0}}$

Selvenergien skiller mentalt den elektriske ladningen og det elektriske feltet til elektronet. Hvis man setter ladningen −e i potensialet , hvor man for eksempel tenker på et andre elektron jevnt fordelt over en sfærisk overflate med radiusen , kreves det energi til dette, selvenergien til et enkelt elektron er halvparten av dette. Imidlertid var det definitivt andre avledninger for en mulig utvidelse av elektronet, som kom til andre verdier.${\ displaystyle \ phi (r) = - {\ tfrac {1} {4 \ pi \ varepsilon _ {0}}} \ cdot {\ tfrac {e} {r}}}$${\ displaystyle r _ {\ mathrm {e}}}$

I dag er synspunktet angående utvidelsen av elektronet annerledes: I eksperimentene som er mulige til nå viser elektroner verken ekspansjon eller intern struktur og kan derfor antas å være punktlignende. Den eksperimentelle øvre grensen for størrelsen på elektronet er for tiden rundt ^10-19  m. Likevel forekommer den klassiske elektronradiusen i mange formler der en mengde av dimensjonslengden (eller areal etc.) dannes ut fra de faste egenskapene til elektron for å forklare eksperimentelle resultater. For eksempel inneholder de teoretiske formlene for tverrsnittene av Photo- og Compton- effekten kvadratet av . ${\ displaystyle r _ {\ mathrm {e}}}$${\ displaystyle r _ {\ mathrm {e}}}$

Søket etter et elektrisk dipolmoment av elektronet har heller ikke gitt noen positive resultater. Et dipolmoment ville oppstå hvis, i tilfelle av et ikke-punktformet elektron, tyngdepunktet til massen ikke også var ladningens tyngdepunkt. Dette er det som er spådd av teorier om supersymmetri som går utover standardmodellen for elementære partikler; det ville bryte T-symmetrien (av grunnen se: Elektronisk dipolmoment av nøytronen ). En måling i oktober 2013, som bruker det sterke elektriske feltet i et polært molekyl, viste at et mulig dipolmoment med et konfidensnivå på 90% ikke er større enn 8,7 · 10 ⁻³¹   m. Dette betyr tydelig at elektronens ladningssenter og masse ikke kan være mer enn ^10–30  m fra hverandre. Teoretiske tilnærminger, ifølge hvilke større verdier ble spådd, blir dermed tilbakevist. ${\ displaystyle e}$

Tverrsnitt

Det må skilles mellom (mulig) utvidelse av elektronet og dets tverrsnitt for interaksjonsprosesser. Når røntgenstråler spres av elektroner, z. B. et spredt tverrsnitt av omtrent hva som tilsvarer det sirkulære området med den klassiske elektronradiusen beskrevet ovenfor . I det begrensende tilfellet med store bølgelengder, dvs. H. mindre fotonenergier øker spredningstverrsnittet (se Thomson-spredning og Compton-effekt ). ${\ displaystyle \ pi r_ {e} ^ {2}}$${\ displaystyle r_ {e}}$${\ displaystyle (8/3) \ pi r_ {e} ^ {2}}$

Interaksjoner

Mange fysiske fenomener som elektrisitet , elektromagnetisme og elektromagnetisk stråling er i hovedsak basert på interaksjoner mellom elektroner. Elektroner i en elektrisk leder forskyves av et magnetfelt i endring, og en elektrisk spenning induseres. Elektronene i en strømførende leder genererer et magnetfelt. En akselerert elektron - selvfølgelig også i tilfelle av kurvebevegelse og - emitterer fotoner, den såkalte bremsestråling ( Hertzian dipol , synkrotronstråling , fri-elektron laser ).

I en solid kropp opplever elektronet interaksjoner med krystallgitteret . Dens oppførsel kan deretter beskrives ved å bruke den avvikende effektive massen i stedet for elektronmassen , som også er avhengig av elektronens bevegelsesretning.

Elektroner som har løsrevet seg fra atomene sine i polare løsningsmidler som vann eller alkoholer er kjent som solvatiserte elektroner . Når alkalimetaller er oppløst i ammoniakk , er de ansvarlige for den sterke blå fargen.

Et elektron er et kvanteobjekt , det vil si det av Heisenberg usikkerhetsprinsippet lokalt beskrevet og momentum spredt i det målbare området, slik at både sjakter - så vel som partikkelegenskaper kan observeres, som som en bølge -partikkel dualitet utpekt blir. I et atom kan elektronet sees på som en stående bølge av materie .

Eksperimenter

Forholdet e / m av den elektron ladning til elektronmassen kan bestemmes som en skole eksperiment med den fint strålerøret . Den direkte bestemmelsen av elementærladningen ble muliggjort av Millikan-eksperimentet .

Når det gjelder elektroner hvis hastighet ikke er ubetydelig liten sammenlignet med lysets hastighet , må det ikke-lineære bidraget til momentet tas i følge relativitetsteorien . Elektroner med lav masse kan akselereres til så høye hastigheter med relativt letthet; Med en kinetisk energi på 80 keV har et elektron halvparten av lysets hastighet. Impulsen kan måles ved å avbøye den i et magnetfelt. Momentets avvik fra verdien beregnet i henhold til klassisk mekanikk ble først demonstrert av Walter Kaufmann i 1901 og, etter oppdagelsen av relativitetsteorien, ble den opprinnelig beskrevet med begrepet " relativistisk masseøkning ", som nå regnes som utdatert.

Gratis elektroner

Fluorescens fra elektroner i et skyggekorsrør

I katodestrålerøret (Brauns rør) kommer elektroner fra en oppvarmet varm katode og akselereres i vakuum av et elektrisk felt i retning av feltet (mot den positive anoden ) . Elektronene avbøyes vinkelrett på feltretningen og vinkelrett på den nåværende flyretningen av magnetfelt ( Lorentz-kraften ). Det var disse egenskapene til elektronene som gjorde utviklingen av oscilloskopet , fjernsynet og dataskjermen mulig.

Ytterligere anvendelser av frie elektroner er f.eks. B. røntgenrør , elektronmikroskop , elektronstrålesveising , grunnleggende fysisk forskning ved bruk av partikkelakseleratorer og generering av synkrotronstråling for forskning og tekniske formål. Se også elektronstråle-teknologi .

weblenker

Wiktionary: Elektron  - forklaringer av betydninger, ordets opprinnelse, synonymer, oversettelser

• Problemet med masse for kvarker og leptoner - forelesning (engelsk) av Harald Fritzsch 22. mars 2000 i Kavli Institute for Theoretical Physics (forelesningsdokumenter, 43 sider / lydopptak, 82 min, 10 MB).

Individuelle bevis

1. ↑ CODATA Anbefalte verdier. National Institute of Standards and Technology, åpnet 20. mai 2019 .  Elementær ladning i C (eksakt).
2. ↑ CODATA Anbefalte verdier. National Institute of Standards and Technology, åpnet 20. mai 2019 .  Elektronmasse i u . Tallene i parentes betegner usikkerheten i de siste sifrene i verdien; denne usikkerheten er gitt som estimert standardavvik for den angitte numeriske verdien fra den faktiske verdien.
3. ↑ CODATA Anbefalte verdier. National Institute of Standards and Technology, åpnet 20. mai 2019 .  Elektronmasse i kg . Tallene i parentes betegner usikkerheten i de siste sifrene i verdien; denne usikkerheten er gitt som estimert standardavvik for den angitte numeriske verdien fra den faktiske verdien.
4. ↑ CODATA Anbefalte verdier. National Institute of Standards and Technology, åpnet 20. mai 2019 .  Elektronmasse i MeV / c ² . Tallene i parentes betegner usikkerheten i de siste sifrene i verdien; denne usikkerheten er gitt som estimert standardavvik for den angitte numeriske verdien fra den faktiske verdien.
5. ↑ CODATA anbefalte verdier. National Institute of Standards and Technology, åpnet 20. mai 2019 .  Compton bølgelengde. Tallene i parentes betegner usikkerheten i de siste sifrene i verdien; denne usikkerheten er gitt som estimert standardavvik for den angitte numeriske verdien fra den faktiske verdien.
6. ↑ CODATA Anbefalte verdier. National Institute of Standards and Technology, åpnet 3. august 2019 .  Magnetisk øyeblikk. Tallene i parentes betegner usikkerheten i de siste sifrene i verdien; denne usikkerheten er gitt som estimert standardavvik for den angitte numeriske verdien fra den faktiske verdien.
7. ↑ CODATA Anbefalte verdier. National Institute of Standards and Technology, åpnet 20. mai 2019 .  g faktor. Tallene i parentes betegner usikkerheten i de siste sifrene i verdien; denne usikkerheten er gitt som estimert standardavvik for den angitte numeriske verdien fra den faktiske verdien.
8. ↑ CODATA anbefalte verdier. National Institute of Standards and Technology, åpnet 20. mai 2019 .  Gyromagnetisk forhold. Tallene i parentes betegner usikkerheten i de siste sifrene i verdien; denne usikkerheten er gitt som estimert standardavvik for den angitte numeriske verdien fra den faktiske verdien.
9. ↑ Károly Simonyi: fysikkens kulturhistorie . Harri Deutsch, Thun, Frankfurt a. M. 1995, ISBN 3-8171-1379-X , pp. 380 . 
10. ^ H. Rechenberg: Elektronen i fysikk - utvalg fra en kronologi fra de siste 100 årene . I: European Journal of Physics . teip 18.3 , 1997, s. 145 . 
11. ^ JJ Thomson: Cathode Rays . I: Philosophical Magazine . teip 44 , 1897, s. 293 ( JJ Thomson (1856-1940): Cathode Rays ). 
12. ↑ Theodore Arabatzis: Representerende elektroner: En biografisk tilnærming til teoretiske enheter . University of Chicago Press, 2006, ISBN 0-226-02421-0 , pp. 70 f . (Engelsk, begrenset forhåndsvisning i Google Book Search). 
13. ↑ Abraham Pais Inward Bound , s. 74.
14. ↑ Om de fysiske enhetene til Nature , først publisert 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 , pp. 380 . 
17. ^ Encyclopedia Britannica 1911, Article Electron .
18. ↑ CODATA Anbefalte verdier. National Institute of Standards and Technology, åpnet 20. mai 2019 .  Klassisk elektronradius. Tallene i parentes betegner usikkerheten i de siste sifrene i verdien; denne usikkerheten er gitt som estimert standardavvik for den angitte numeriske verdien fra den faktiske verdien.
19. ↑ W. Finkelnburg: Innføring i atomfysikk , Springer, 1976.
20. ↑ Dieter Meschede : Gerthsen Physik 22. utg. Berlin Springer, 2004. (Springer lærebok), side 592 og øvelse (17.4.5), side 967.
21. ↑ Paul Huber og Hans H. Staub: Atomphysik (Introduksjon til fysikk; bind 3, del 1) Basel: Reinhardt 1970, side 170.
22. ↑ Richard Feynman : Lectures on Physics, Vol 1, Mechanics, Radiation and Heat, Addison-Wesley 1966 - ligning (32.11), side 32–4.
23. Ara Clara Moskowitz: For rund for supersymmetri. 15. november 2013. Hentet 19. november 2013 . 
24. ↑ G. Möllenstedt og H. Duker: Observasjoner og målinger på biprisme interferens med elektron bølger . I: Journal of Physics . Nei. 145 , 1956, s. 377–397 ( fritt tilgjengelig etter registrering ).