Électron

Électron

Estimations théoriques de la densité électronique pour les premières orbitales d'électrons d'atomes d'hydrogène représentés comme des sections transversales avec une densité de probabilité code couleur
Composition	Particule élémentaire
Statistiques	Fermion
Génération	Première
Interactions	Gravity , électromagnétique , Faible
Symbole	e -, β -
Antiparticule	Positron
Théorisé	G. Johnstone Stoney (1874)
Découvert	JJ Thomson (1897)
Masse	9,109   382   15 (45) × 10 -31 kg 5,485   799   09 (27) × 10 -4 u 1 / 1822,888   4843 (11) u 0,510   998   918 (44) MeV / c 2
Charge électrique	-1,602   176   487 (40) × 10 -19 C
Tourner	½

L'électron est un fondamental particule subatomique qui porte un négatif charge électrique . Ce est un spin ½ lepton qui participe à des interactions électromagnétiques , et sa masse est d'environ de celle du proton . Avec les noyaux atomiques , qui sont constitués de protons et les neutrons , les électrons représentent des atomes. Leur interaction avec des noyaux adjacents est la principale cause de la liaison chimique .

Histoire

L'électron de nom vient du mot grec pour ambre , ήλεκτρον. Ce matériau a joué un rôle essentiel dans la découverte des phénomènes électriques. Les anciens Grecs savaient, par exemple, que le frottement d'un morceau d'ambre avec de la fourrure a laissé une charge électrique sur sa surface, ce qui pourrait alors créer une étincelle lorsqu'il est amené à proximité d'un objet à la terre. Pour plus sur l'histoire de l'électricité à long terme, voir Histoire de l'électricité.

L'électron comme une unité de charge en électrochimie a été posé par G. Johnstone Stoney en 1874, qui a aussi inventé l'électron terme en 1894.

Dans cet article, une estimation a été faite de la quantité réelle de cette unité fondamentale la plus remarquable de l'électricité, pour laquelle je ai depuis osé suggérer l'électron de nom.

- Stoney, George Johnstone (Octobre 1894). "De la" Electron ", ou Atom de l'électricité". Philosophical Magazine 38 (5): 418-420. http://dbhs.wvusd.k12.ca.us/webdocs/Chem-History/Stoney-1894.html.

À la fin des années 1890, un certain nombre de physiciens posé que l'électricité pourrait être conçue comme étant en unités distinctes, qui ont été donnés une variété de noms, mais la réalité de ces unités ne avait pas été confirmée d'une manière convaincante.

La découverte que l'électron est un particule subatomique a été faite en 1897 par JJ Thomson à la Cavendish Laboratory de l'Université de Cambridge , alors qu'il étudiait tubes à rayons cathodiques. Un tube à rayons cathodiques est un tube en verre scellé, dans lequel deux électrodes sont séparées par un vide. Lorsqu'une tension est appliquée entre les électrodes, les rayons cathodiques sont générés, ce qui provoque le tube incandescent. Par l'expérimentation, Thomson a découvert que la charge négative ne peut pas être séparé des rayons (par l'application de magnétisme), et que les rayons peut être dévié par un champ électrique. Il a conclu que ces rayons, plutôt que d'être vagues, ont été composé de particules chargées négativement qu'il a appelé "corpuscules". Il a mesuré leur rapport masse-charge et trouvé que ce était plus de mille fois inférieure à celle d'un ion d'hydrogène, ce qui suggère qu'ils étaient très fortement chargés ou très petite masse. Des expériences ultérieures par d'autres scientifiques ont confirmé la dernière conclusion. Leur rapport de masse sur charge est également indépendante du choix du matériau de cathode et le gaz initialement dans le tube à vide. Cela a conduit Thomson à conclure qu'ils étaient universelle entre tous les matériaux.

La charge de l'électron a été soigneusement mesurée par RA Millikan dans son expérience de 1909 oil-drop.

La loi périodique indique que les propriétés chimiques des éléments se répètent largement périodiquement et est le fondement de la table périodique des éléments. La loi elle-même a d'abord été expliqué par le masse atomique de l'élément. Cependant, comme il y avait des anomalies dans le tableau périodique, des efforts ont été faits pour trouver une meilleure explication. En 1913, Henry Moseley a introduit le concept de la numéro atomique et a expliqué la loi périodique en termes de nombre de protons chaque élément a. Dans la même année, Niels Bohr a montré que les électrons sont le fondement réel de la table. En 1916, Gilbert Newton Lewis explique la liaison chimique des éléments par des interactions électroniques.

Classification

L'électron est dans la classe de particules subatomiques appelé leptons, qui sont censées être particules fondamentales.

Comme pour toutes les particules, les électrons peuvent également agir comme des ondes. Cela se appelle la dualité onde-particule , également connu sous le terme complémentarité inventé par Niels Bohr , et peut être démontrée en utilisant la Fentes de Young.

L'antiparticule de l'électron est le positons, qui a charge positive plutôt que négative. Le découvreur du positron, Carl D. Anderson, a proposé d'appeler standards négatons électrons, et en utilisant des électrons comme un terme générique pour décrire les deux variantes chargées positivement et négativement. Cet usage est parfois rencontré aujourd'hui.

Propriétés et le comportement

Les électrons ont une charge électrique de -1,6021765 × 10 ^-19 Coulomb, une masse de 9,11 × 10 ^-31 kg basée sur des mesures de charge / masse et un relativiste masse au repos d'environ 0,511 MeV / c ². La masse de l'électron est d'environ _^1/1836 de la masse du proton . Le symbole d'électrons commune est e ^-. Electron durée de vie moyenne est> 4.6x10 ²⁶ années (voir désintégration de particules).

Selon la mécanique quantique , les électrons peuvent être représentés par fonctions d'onde, à partir duquel un calculés probabiliste densité électronique peut être déterminée. Le orbital de chaque électron dans un atome peut être décrit par une fonction d'onde. Sur la base de la Principe d'incertitude de Heisenberg, l'exacte dynamique et la position de l'électron réelle ne peut être déterminée simultanément. Ce est une limitation qui, dans ce cas, indique simplement que le plus de précision, nous savons la position d'une particule, le moins de précision que nous pouvons connaître son élan, et vice versa.

L'électron a de spin ½ et est un fermion (il se ensuit Fermi-Dirac statistiques). En plus de son moment angulaire intrinsèque, un électron a un intrinsèque moment magnétique le long de son axe de rotation.

Les électrons dans un atome sont liés à cet atome, tandis que les électrons se déplacent librement dans le vide, l'espace ou certains médias sont des électrons libres qui peuvent être axés dans un faisceau d'électrons. Quand les électrons libres se déplacent, il existe un flux net de frais, et ce flux est appelé un courant électrique. Le vitesse de dérive des électrons dans les fils métalliques est de l'ordre de quelques millimètres par seconde. Cependant, la vitesse à laquelle un courant à un moment donné dans un fil provoque un courant dans d'autres parties du fil, la vitesse de propagation, est généralement 75% de la vitesse de la lumière.

Dans certains supraconducteurs , paires d'électrons se déplacent comme Paires de Cooper dans lequel leur mouvement est couplé à la matière à proximité via vibrations du réseau appelés phonons. La distance de séparation entre les paires de Cooper est d'environ 100 nm. (Rohlf, JW)

Un corps a une charge électrique lorsque cette instance a plus ou moins d'électrons que sont nécessaires pour équilibrer la charge positive des noyaux. Quand il ya un excès d'électrons, l'objet est dit être chargé négativement. Quand il ya moins d'électrons que des protons , l'objet est dit être chargé positivement. Lorsque le nombre d'électrons et le nombre de protons sont égaux, leurs charges se annulent mutuellement et l'objet est dit être électriquement neutre. Un corps macroscopique peut développer une charge électrique par frottement, par le phénomène de triboélectricité.

Quand les électrons et positrons entrent en collision, elles anéantir l'autre et produire des paires de haute énergie des photons ou d'autres particules. D'autre part, les photons de haute énergie peuvent se transformer en un électron et un positon par un processus appelé la production de paires, mais seulement en présence d'une particule chargée à proximité, comme un noyau.

L'électron est décrit comme un particule fondamentale ou primaire. Il n'a pas connue sous-structure. Ainsi, pour plus de commodité, il est généralement défini ou supposé être un point-like mathématique charge ponctuelle, sans extension spatiale. Cependant, quand une particule de test est forcé de se approcher un électron, nous mesurons les changements dans ses propriétés ( frais et de masse ). Cet effet est commun à toutes les particules élémentaires. La théorie actuelle suggère que cet effet est dû à l'influence de les fluctuations du vide dans son espace local, de sorte que les propriétés mesurées à partir d'une distance significative sont considérées comme la somme des propriétés nues et les effets de vide (voir renormalisation ).

Le Électron est 2,8179 x 10 ^-15 m. Ce est le rayon qui est déduite de la charge électrique de l'électron, en utilisant le théorie classique de seule l'électrodynamique, ignorant la mécanique quantique . Classique électrodynamique ( Maxwell électrodynamique s ') est l'ancien concept qui est largement utilisé pour des applications pratiques de l'électricité, génie électrique, la physique des semi-conducteurs, et l'électromagnétisme. Électrodynamique quantique, d'autre part, est utile pour des applications impliquant la physique des particules moderne et certains aspects de la optique, laser et la physique quantique.

Sur la base de la théorie actuelle, la vitesse d'un électron peut se approcher, mais jamais atteindre, c (la vitesse de la lumière dans le vide). Cette limitation est attribué à la théorie d'Einstein de la relativité restreinte qui définit la vitesse de la lumière comme une constante dans tous les référentiels inertiels. Toutefois, lorsque relativiste des électrons sont injectés dans un milieu diélectrique tel que l'eau, où la vitesse de la lumière locale est nettement inférieur à c, les électrons (temporairement) voyagent vite que la lumière dans le milieu. Comme ils interagissent avec le milieu, ils génèrent une lumière bleutée appelé Rayonnement Tcherenkov.

Les effets de la relativité sont basées sur une quantité appelée ou le γ Facteur de Lorentz. γ est une fonction de v, la vitesse de coordonnées de la particule. Il est défini comme:

L'énergie cinétique nécessaire pour accélérer un électron est:

Par exemple, le Linéaire de Stanford accélérateur peut accélérer un électron à environ 51 GeV . Cela donne un gamma de 100 000, car la masse d'un électron est 0,51 MeV / c ² (l'impulsion relativiste de cet électron est 100.000 fois la dynamique classique d'un électron à la même vitesse). Résolution de l'équation ci-dessus pour la vitesse de l'électron (et en utilisant une approximation pour grand γ) donne:

Le longueur d'onde de Broglie d'une particule est λ = h / p où h est P constante et de Planck est dynamique. Aux énergies faibles (par exemple photoélectrons) ce qui détermine la taille des atomes, et au élevées (par exemple au microscope électronique) énergies ce qui rend le Pour des angles de Bragg diffraction d'électrons (co-découvert par JJ Thomson fils d ' GP Thomson) bien sous un degré. Depuis élan est la masse multipliée par bon-vitesse w = γv, nous avons

Pour l'électron GeV 51 ci-dessus, bon-vitesse est d'environ Yc, rendant la longueur d'onde de ces électrons suffisamment petites pour explorer structures bien inférieure à la taille d'un noyau atomique.

Visualisation

Les premières images vidéo d'un électron ont été capturés par une équipe de l'Université de Lund en Suède en Février 2008. Pour capturer cet événement, les scientifiques ont utilisé extrêmement courts éclairs de lumière. Pour produire cette lumière, technologie nouvellement développée pour générer des impulsions courtes de la lumière laser intense, appelées impulsions attosecondes, permis à l'équipe de la Faculté de génie de l'université de capturer le mouvement de l'électron pour la première fois.

"Il faut environ 150 attosecondes à un électron pour encercler le noyau d'un atome. Une attoseconde est liée à une seconde ce qu'une seconde est liée à l'âge de l'univers", a expliqué Johan Mauritsson, professeur assistant en physique atomique à la Faculté de génie, Université de Lund.

Vidéo est disponible ici:

En pratique

Dans l'univers

Les scientifiques croient que le nombre d'électrons dans la existantes connu univers est d'au moins 10 ^79. Ce nombre équivaut à une densité moyenne d'environ un électron par mètre cube d'espace. Les astronomes ont estimé que 90% de la masse des atomes dans l'univers est un atome d'hydrogène , qui est constitué d'un électron et un proton.

Dans l'industrie

Faisceaux d'électrons sont utilisés dans le soudage , lithographie, microscopes électroniques à balayage et microscopes électroniques à transmission. LEED et RHEED sont des techniques d'imagerie de surface qui utilisent des électrons.

Les électrons sont également au cœur des les tubes à rayons cathodiques, qui sont largement utilisés en tant que dispositifs d'affichage d'instruments de laboratoire, les écrans d'ordinateur et téléviseurs. Dans un Tube photomultiplicateur, un photon frappe la photocathode, l'ouverture d'une avalanche d'électrons qui produit un courant détectable.

Au laboratoire

Le ratio exceptionnellement élevé charge-masse des électrons signifie qu'ils interagissent fortement avec des atomes, et sont faciles à accélérer et concentrer avec des champs électriques et magnétiques. Ainsi certains des aujourd'hui transmission d'aberration corrigée microscopes électroniques utilisent les électrons 300keV avec des vitesses supérieures à la vitesse de la lumière dans l'eau, deux longueurs d'onde inférieures picomètres, transversales cohérence largeurs plus d'un nanomètre, et la cohérence-largeurs longitudinales 100 fois que, à l'image de la diffusion de l'individu atomique noyaux ( HAADF) ainsi que les interférences de contraste solide spécimen sortie surface deBroglie-phase ( HRTEM) avec latéral ponctuelles résolutions à 60 picomètres. Grossissements approchant 100 millions sont nécessaires pour faire le détail de l'image résultant confortablement visible à l'œil nu.

Les effets quantiques des électrons sont également utilisés dans le microscope à effet tunnel, pour étudier les caractéristiques sur des surfaces solides avec latéral résolution à l'échelle atomique (environ 200) et verticales picomètres-résolutions beaucoup mieux que cela. En plus de la forte dépendance de tunnel quantique sur la séparation pointe-échantillon, la sensibilité verticale découle de la commande électronique précise de la séparation possible avec une scanner piézoélectrique.

En médecine

En la radiothérapie, des faisceaux d'électrons sont utilisés pour le traitement de tumeurs superficielles.

En théorie

Dans le modèle de Dirac, un électron est défini comme étant un point mathématique, une particule ponctuelle, chargée "nu" entouré d'une mer de paires d'interaction des virtuelle particules et antiparticules. Ceux-ci fournissent une correction d'un peu plus de 0,1% de la valeur prédite de l'électron de rapport gyromagnétique d'exactement deux (comme prédit par le modèle unique de particules de Dirac). L'accord d'une précision extraordinaire de cette prédiction avec la valeur déterminée expérimentalement est considérée comme l'une des grandes réalisations de la physique moderne.

Dans le modèle standard de la physique des particules , l'électron est le Prénom génération chargée lepton. Il forme un faible doublet de isospin avec le neutrino électron; ces deux particules interagissent les uns avec les autres à la fois par le courant chargé et neutre interaction faible. L'électron est très semblable aux deux autres particules massives des générations plus élevées, la muon et le tau lepton, qui sont identiques en charge, rotation, et l'interaction, mais une différence de masse.

Le antimatière homologue de l'électron est le positron. Le positron a la même quantité de charge électrique de l'électron, sauf que la charge est positive. Il a la même masse et de spin de l'électron. Quand un électron et un positron se rencontrent, ils peuvent annihiler l'un l'autre, donnant lieu à deux photons gamma émis à peu près 180 ° par rapport à l'autre. Si l'électron et positron avaient dynamique négligeable, chaque rayon gamma aura une énergie de 0,511 MeV. Voir également Ère leptonique.

Les électrons sont un élément clé de l'électromagnétisme , une théorie qui est précis pour les systèmes macroscopiques, et pour la modélisation classique de systèmes microscopiques.