ЭЛЕКТРОН

Элементарная частица с отрицательным электрическим зарядом, входящая в состав всех атомов, а следовательно, и любого обычного вещества. Это — самая легкая из электрически заряженных частиц. Электроны участвуют почти во всех электрических явлениях. В металле часть электронов не связана с атомами и может свободно перемещаться, благодаря чему металлы хорошо проводят электричество. В плазме, т.е. ионизованном газе, положительно заряженные атомы также перемещаются свободно, но, имея гораздо большую массу, движутся значительно медленнее электронов, а потому вносят меньший вклад в электрический ток. Благодаря малой массе электрон оказался частицей, наиболее вовлеченной в развитие квантовой механики, частной теории относительности и их объединение — релятивистскую квантовую теорию поля. Считается, что в настоящее время полностью известны уравнения, описывающие поведение электронов во всех реально осуществимых физических условиях. (Правда, решение этих уравнений для систем, содержащих большое число электронов, таких, как твердое тело и конденсированная среда, все еще сопряжено с трудностями.) Все электроны тождественны и подчиняются статистике Ферми — Дирака. Это обстоятельство выражается в принципе Паули, согласно которому два электрона не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии. Одно из следствий принципа Паули заключается в том, что состояния наиболее слабо связанных электронов — валентных электронов, определяющих химические свойства атомов, — зависят от атомного номера (зарядового числа), который равен числу электронов в атоме. Атомный номер равен также заряду ядра, выраженному в единицах заряда протона е. Другое следствие состоит в том, что электронные "облака", окутывающие ядра атомов, сопротивляются их перекрытию, вследствие чего обычное вещество обладает свойством занимать определенное пространство. Как и полагается элементарной частице, число основных характеристик электрона невелико, а именно масса (me " 0,51 МэВ " 0,91*10 -27 г), заряд (-e " -1,6*10 -19 Кл) и спин (1/2ћ "1/2*0,66*10-33 Дж*с, где — постоянная Планка h, деленная на 2p). Через них выражаются все остальные характеристики электрона, например магнитный момент ("1,001m3 " 1,001*0,93*10 -23 Дж/Тл), за исключением еще двух констант, характеризующих слабое взаимодействие электронов (см. ниже). Первые указания на то, что электричество не является непрерывным потоком, а переносится дискретными порциями, были получены в опытах по электролизу. Результатом явился один из законов Фарадея (1833): заряд каждого иона равен целому кратному заряда электрона, называемого ныне элементарным зарядом е. Наименование "электрон" вначале относилось к этому элементарному заряду. Электрон же в современном смысле слова был открыт Дж.Томсоном в 1897. Тогда было уже известно, что при электрическом разряде в разреженном газе возникают "катодные лучи", несущие отрицательный электрический заряд и идущие от катода (отрицательно заряженного электрода) к аноду (положительно заряженному электроду). Исследуя влияние электрического и магнитного полей на пучок катодных лучей, Томсон пришел к выводу: если предположить, что пучок состоит из частиц, заряд которых не превышает элементарного заряда ионов е, то масса таких частиц будет в тысячи раз меньше массы атома. (Действительно, масса электрона составляет примерно 1/1837 массы легчайшего атома, водорода.) Незадолго до этого Х.Лоренц и П.Зееман уже получили доказательства того, что электроны входят в состав атомов: исследования воздействия магнитного поля на атомные спектры (эффект Зеемана) показали, что у заряженных частиц в атоме, благодаря наличию которых свет взаимодействует с атомом, отношение заряда к массе такое же, как и установленное Томсоном для частиц катодных лучей. Первая попытка описать поведение электрона в атоме связана с моделью атома Бора (1913). Представление о волновой природе электрона, выдвинутое Л.де Бройлем (1924) (и подтвержденное экспериментально К.Дэвиссоном и Л.Джермером в 1927), послужило основой волновой механики, разработанной Э.Шредингером в 1926. Одновременно на основании анализа атомных спектров С. Гаудсмитом и Дж. Уленбеком (1925) был сделан вывод о наличии у электрона спина. Строгое волновое уравнение для электрона было получено П. Дираком (1928). Уравнение Дирака согласуется с частной теорией относительности и адекватно описывает спин и магнитный момент электрона (без учета радиационных поправок). Из уравнения Дирака вытекало существование еще одной частицы — положительного электрона, или позитрона, с такими же значениями массы и спина, как у электрона, но с противоположным знаком электрического заряда и магнитного момента. Формально уравнение Дирака допускает существование электрона с полной энергией либо і mс2 (mс2 — энергия покоя электрона), либо Ј — mс2; отсутствие радиационных переходов электронов в состояния с отрицательными энергиями можно было объяснить, предположив, что эти состояния уже заняты электронами, так что, согласно принципу Паули, для дополнительных электронов нет места. Если из этого дираковского "моря" электронов с отрицательными энергиями удалить один электрон, то возникшая электронная "дырка" будет вести себя как положительно заряженный электрон. Позитрон был обнаружен в космических лучах К. Андерсоном (1932). По современной терминологии электрон и позитрон являются античастицами по отношению друг к другу. Согласно релятивистской квантовой механике, для частиц любого вида существуют соответствующие античастицы (античастица электрически нейтральной частицы может совпадать с ней). Отдельно взятый позитрон столь же стабилен, как и электрон, время жизни которого бесконечно, поскольку не существует более легких частиц с зарядом электрона. Однако в обычном веществе позитрон рано или поздно соединяется с электроном. (Вначале электрон и позитрон могут на короткое время образовать "атом", так называемый позитроний, сходный с атомом водорода, в котором роль протона выполняет позитрон.) Такой процесс соединения называется электрон-позитронной аннигиляцией; в нем полная энергия, импульс и момент импульса сохраняются, а электрон и позитрон превращаются в гамма-кванты, или фотоны, — обычно их два. (С точки зрения "моря" электронов данный процесс представляет собой радиационный переход электрона в так называемую дырку — незанятое состояние с отрицательной энергией.) Если скорости электрона и позитрона не очень велики, то энергия каждого из двух гамма-квантов приблизительно равна mс2. Это характеристическое излучение аннигиляции позволяет обнаруживать позитроны. Наблюдалось, например, такое излучение, исходящее из центра нашей Галактики. Обратный процесс превращения электромагнитной энергии в электрон и позитрон называется рождением электрон-позитронной пары. Обычно гамма-квант с высокой энергией "конвертируется" в такую пару, пролетая вблизи атомного ядра (электрическое поле ядра необходимо, поскольку при превращении отдельно взятого фотона в электрон-позитронную пару были бы нарушены законы сохранения энергии и импульса). Еще один пример — распад первого возбужденного состояния ядра 16О, изотопа кислорода. Испусканием электронов сопровождается один из видов радиоактивности ядер. Это бета-распад — процесс, обусловленный слабым взаимодействием, при котором нейтрон в исходном ядре превращается в протон. Наименование распада происходит от названия "бета-лучи", исторически присвоенного одному из видов радиоактивных излучений, которое, как потом выяснилось, представляет собой быстрые электроны. Энергия электронов этого излучения не имеет фиксированного значения, поскольку (в соответствии с гипотезой, выдвинутой Э.Ферми) при бета-распаде вылетает еще одна частица — нейтрино, уносящая часть энергии, выделяющейся при ядерном превращении. Основной процесс таков: Нейтрон -> протон + электрон + антинейтрино. Испускаемый электрон не содержится в нейтроне; появление электрона и антинейтрино представляет собой "рождение пары" из энергии и электрического заряда, освобождающихся при ядерном превращении. Существует также бета-распад с испусканием позитронов, при котором находящийся в ядре протон превращается в нейтрон. Подобные превращения могут также происходить в результате поглощения электрона; соответствующий процесс называется К-захватом. Электроны и позитроны испускаются при бета-распаде и других частиц, например мюонов.

Роль в науке и технике. Быстрые электроны широко применяются в современной науке и технике. Они используются для получения электромагнитного излучения, например рентгеновского, возникающего в результате взаимодействия быстрых электронов с веществом, и для генерации синхротронного излучения, возникающего при их движении в сильном магнитном поле. Ускоренные электроны применяют и непосредственно, например в электронном микроскопе, или при более высоких энергиях — для зондирования ядер. (В таких исследованиях была обнаружена кварковая структура ядерных частиц.) Электроны и позитроны сверхвысоких энергий используются в электрон-позитронных накопительных кольцах — установках, аналогичных ускорителям элементарных частиц. За счет их аннигиляции накопительные кольца позволяют с высокой эффективностью получать элементарные частицы с очень большой массой.

См. также

АНТИВЕЩЕСТВО;

АТОМ;

АТОМА СТРОЕНИЕ;

ХИМИЯ;

МОЛЕКУЛ СТРОЕНИЕ;

ЭЛЕКТРОННЫЙ МИКРОСКОП;

АТОМНОГО ЯДРА СТРОЕНИЕ;

УСКОРИТЕЛЬ ЧАСТИЦ;

ФИЗИКА;

ПЛАНКА ПОСТОЯННАЯ;

КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА;

РАДИОАКТИВНОСТЬ;

ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА;

СПЕКТРОСКОПИЯ.

ЛИТЕРАТУРА

Китайгородский А.И. Электроны. М., 1982 Волькенштейн Ф.Ф. Электроны и кристаллы. М., 1983

Источник: Энциклопедия Кольера на Gufo.me


Значения в других словарях

  1. Электрон — Электр, природный сплав золота и серебра, из которого чеканились самые древние лидийские и ионийские монеты. Словарь нумизмата
  2. электрон — 1) -а, м. Мельчайшая элементарная частица вещества, имеющая отрицательный электрический заряд. [От греч. ’ήλεκτρον — янтарь] 2) -а, м. устар. Сплав алюминия с магнием, литием и цинком, обладающий большой легкостью, прочностью и пластичностью. [От греч. ’ήλεκτρον — сплав золота с серебром] Малый академический словарь
  3. ЭЛЕКТРОН — (символ е-, е), первая элем. ч-ца, открытая в физике; матер. носитель наименьшей массы и наименьшего электрич. заряда в природе. Э.— составная часть атомов; их число в нейтр. атоме равно ат. номеру, т. е. числу протонов в ядре. Заряд (е) и масса (mе)... Физический энциклопедический словарь
  4. Электрон — I Электро́н (символ е-, e) первая элементарная частица, открытая в физике; материальный носитель наименьшей массы и наименьшего электрического заряда в природе. Э. — составная часть Атомов; их число в нейтральном атоме равно атомному номеру, т. Большая советская энциклопедия
  5. электрон — орф. электрон, -а Орфографический словарь Лопатина
  6. электрон — Электр/о́н/. Морфемно-орфографический словарь
  7. электрон — ЭЛЕКТРОН (символ e−, e) стабильная элементарная частица с наименьшим отрицат. электрич. зарядом. Абс. величина заряда Э. e= 1,6021892∙10−19 Кл, или 4,803242∙10−10 ед. СГСЕ. Масса покоя Э. те = 9,109534∙10−28 г. Спин... Химическая энциклопедия
  8. Электрон — (electrum), сплав золота и серебра, обычно использовался для декоративных сосудов (фото 83). Археологический словарь
  9. электрон — электрон , -а Орфографический словарь. Одно Н или два?
  10. ЭЛЕКТРОН — ЭЛЕКТРОН (обозначение е), устойчивая ЭЛЕМЕНТАРНАЯ ЧАСТИЦА с отрицательным зарядом и массой покоя 9,1310-31 кг (что составляет 1/1836 от массы ПРОТОНА). Электроны были обнаружены в 1879 г. английским физиком Джозефом Томсоном. Научно-технический словарь
  11. электрон — ЭЛЕКТРОН -а; м. [от греч. ēlektron — янтарь] Мельчайшая элементарная частица вещества, имеющая отрицательный электрический заряд. Поток электронов. ◁ Электронный (см.). Толковый словарь Кузнецова
  12. электрон — Электрона, м. [греч. elektron – янтарь]. 1. Частица с наименьшим отрицательным электрическим зарядом, образующая в соединении с протоном атом (физ.). 2. Легкий магниевый сплав, употр. при постройке летательных аппаратов (тех.). Большой словарь иностранных слов
  13. ЭЛЕКТРОН — "ЭЛЕКТРОН" — искусственный спутник Земли, созданный в СССР для изучения радиационных поясов и магнитного поля Земли. Запускались парами — один по траектории, лежащей ниже, а другой — выше радиационных поясов. В 1964 запущено 2 пары "Электронов". Большой энциклопедический словарь
  14. электрон — электрон I м. Элементарная частица с наименьшим отрицательным электрическим зарядом, участвующая в строении вещества. II м. Лёгкий магниевый сплав, содержащий алюминий, цинк, марганец, обладающий большой прочностью и эластичностью. III м. устар. Толковый словарь Ефремовой
  15. электрон — ЭЛЕКТР’ОН, элктрона, ·муж. (·греч. elektron — янтарь). 1. Частица с наименьшим отрицательным электрическим зарядом, образующая в соединении с протоном атом (физ.). Движение электронов создает электрический ток. 2. только ед. Легкий магниевый сплав, употр. при постройке летательных аппаратов (тех.). Толковый словарь Ушакова
  16. электрон — ЭЛЕКТРОН, а, м. (спец.). Элементарная частица с наименьшим отрицательным электрическим зарядом. | прил. электронный, ая, ое. Толковый словарь Ожегова
  17. Электрон — Атом электричества см. Электронная теория. Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона