Въведение
Електроните са отрицателно заредени субатомни частици. То може да бъде свободно (да не принадлежи към нито един атом) или може да бъде свързано от ядрото. Електроните в атомите съществуват в сферични обвивки с различни радиуси и описващи енергийни нива. Колкото по-голяма е сферичната обвивка, толкова по-висока е енергията, съдържаща се в електрона.
В електрическите проводници токът се генерира от независимото движение на електрони между атомите и обикновено тече от катода към анода на електрода. В полупроводниковите материали токът се генерира и от движещи се електрони. Но понякога е по-илюстративно да мислим за тока като за движение с дефицит на електрони от атом към атом. Атомите с дефицит на електрони в полупроводниците се наричат дупки. Обикновено дупките се "движат" от положителния към отрицателния електрод на електрода.
Electrons belong to the class of leptons in subatomic particles. Lepton is considered to be one of the basic particles that make up matter. It has 1/2 spin, which is another kind of fermion (according to Fermi-Dirac statistics). The charge of the electron is e=-1.6×10-19C (Coulomb), and the mass is 9.11×10-31kg (0.51MeV/c2< /sup>), the energy is 5.11×105eV, usually expressed as e⁻. The antiparticle of an electron is a positron, which has the same mass, energy, spin and the same amount of positive charge as the electron (the charge of a positive electron is +1, and the charge of a negative electron is -1).
Основната единица на материята - атомът се състои от електрони, неутрони и протони. Неутроните не са заредени, протоните са положително заредени, а атомите не са електрически заредени отвън. В сравнение с ядрото, съставено от неутрони и протони, масата на електроните е изключително малка. Масата на протона е приблизително 1840 пъти по-голяма от тази на електрона.
Когато един електрон напусне ядрото и се движи свободно в други атоми, явлението нетен поток, което произвежда, се нарича електрически ток.
Различните атоми имат различни способности да свързват електрони, така че те губят електрони и стават положителни йони и получават електрони и стават отрицателни йони.
Статичното електричество се отнася до ситуацията, при която даден обект има повече или по-малко електричество от ядрото, което води до дисбаланс на положително и отрицателно електричество. Когато има излишни електрони, се казва, че обектът е отрицателно зареден; когато няма достатъчно електрони, се казва, че обектът е положително зареден. Когато положителното и отрицателното електричество се балансират, се казва, че обектът е електрически неутрален. Има много методи за приложение на статичното електричество в нашето ежедневие, сред които лазерните принтери са примери.
История на изследванията
Електронът е открит през 1897 г. от Джоузеф Джон Томсън от Кавендишката лаборатория на университета в Кеймбридж, докато изучава катодни лъчи. Джоузеф Джон Томсън предложи модела за торта от хинап.
През 1897 г. Джоузеф Джон Томсън от Кавендишката лаборатория в университета в Кеймбридж, Англия, преработва експеримента на Херц. Използвайки вакуумна тръба с по-висока степен на вакуум и по-силно електрическо поле, той наблюдава отклонението на отрицателните лъчи и изчислява съотношението маса-заряд на частиците (електроните) на отрицателните лъчи. Поради това той печели Нобеловата награда за физика през 1906 г. Томсън приема името, дадено от Джордж Стоуни през 1891 г. - електрони, за да нарече тази частица. Досега електроните са открити от Томсън като първата субатомна частица, открита от човечеството и врата към атомния свят.
More than 100 years ago, when the American physicist Robert Millikan first measured the charge of electrons as 1.602×10-19C through experiments, this charge value was widely used. Think of it as the basic unit of charge. However, if according to the classical theory, the electron is regarded as a "whole" or "elementary" particle, which will make us extremely confused about the behavior of the electron in certain physical situations, such as the non-integral quantum that appears when the electron is placed in a strong magnetic field. Hall Effect.
Изследователи от университета в Кеймбридж и колеги от университета в Бирмингам завършиха проучване в сътрудничество. В комюникето се посочва, че електрониката обикновено се счита за неделима. Изследователи от университета в Кеймбридж поставиха изключително тънки "квантови метални жици" над метална плоча, контролираха разстоянието между тях да бъде около 30 атома широко и ги поставиха в среда с ултраниска температура близо до абсолютната нула. След това промениха външното магнитно поле и откриха метала. Електроните на дъската се разделят на спинони и дупки, когато прескачат към жицата чрез ефекта на квантовото тунелиране.
За да реши този проблем, през 1980 г. американският физик Робърт Лафлин предложи нова теория за решаването на този пъзел. Теорията също накратко обяснява сложното взаимодействие между електроните. Въпреки това, приемането на тази теория струва на общността на физиците: странните изводи, извлечени от теорията, показват, че токът всъщност се състои от една трета от електронния заряд.
Но през 1981 г. физиците предложиха електроните да бъдат разделени на магнитни спинони и заредени дупки при определени специални условия.
On November 16, 2018, the International Conference on Weights and Measures passed a resolution that 1 ampere is defined as "the current corresponding to 6.24146×1018 electronic charges in 1s."
Характеристики
Electrons are classified as leptons in subatomic particles. Lepton is a class of matter classified as elementary particles. The electron has one-half of the spin and satisfies the condition of fermions (according to the Fermi-Dirac statistics). The charge of the electron is about -1.6×10-19 Coulomb, and the mass is 9.10956×10-31kg (0.51MeV/c2) . Usually expressed as e⁻. Particles that have the opposite electrical properties of electrons are called positrons, which have the same mass, spin and equal positive charge as electrons. The electron moves around the nucleus in the atom. The greater the energy, the farther away the trajectory of the nucleus is. The space where electrons move is called the electron layer, and the first layer can have up to 2 electrons. The second layer can have up to 8 electrons, the nth layer can hold up to 2n2 electrons, and the outermost layer can hold up to 8 electrons. The number of electrons in the last layer determines whether the chemical properties of the substance are active. Electrons 1, 2, and 3 are metallic elements, 4, 5, 6, 7 are non-metallic elements, and 8 are rare gas elements.
Електроните на дадено вещество могат да бъдат загубени или получени. Свойството на веществото да получава електрони се нарича окисление, а веществото е окислител; свойството на веществото да губи електрони се нарича редуциране, а веществото е редуциращ агент. Окислителното или редуциращо свойство на дадено вещество се определя от трудността да се получават или губят електрони и няма нищо общо с броя на електроните, които получават или губят.
Atoms composed of electrons, neutrons, and protons are the basic units of matter. Compared with the nucleus composed of neutrons and protons, the mass of electrons is extremely small. The mass of a proton is approximately 1,842 times the mass of an electron. When the number of electrons in an atom is not equal to the number of protons, the atom will be charged and the atom is called an ion. When an atom gets extra electrons, it has a negative charge, called anion, when it loses electrons, it has a positive charge, called cation. If an object has more or less electrons than the nucleus of the charge, which results in an imbalance between the positive and negative charge, the object is said to be static. When the positive and negative electricity are in balance, the electrical property of the object is called electrical neutrality. Static electricity has many uses in daily life. For example, the electrostatic paint system can spray enamel paint (English: enamelpaint) or polyurethane paint evenly on the surface of objects.
The attractive Coulomb force between the electron and the proton causes the electron to be bound to the atom. This electron is called bound electron. Two or more atoms exchange or share their bound electrons, which is the main cause of chemical bonds. When an electron is free from the bondage of the nucleus and can move freely, it is renamed as a free electron. The net flow of many free electrons moving together is called electric current. In many physical phenomena, like electrical conduction, magnetism or thermal conduction, electrons play an important role. Moving electrons generate a magnetic field and are also deflected by an external magnetic field. Electrons that move at an acceleration emit electromagnetic radiation.
Крайният носител на заряд са малките електрони, които изграждат атомите. В движещ се атом всеки електрон, движещ се около ядрото, има единица отрицателен заряд, а протонът в ядрото има единица положителен заряд. При нормални обстоятелства броят на електроните и протоните в едно вещество е равен, зарядите, които носят, са балансирани и веществото е неутрално. След триене материята или губи електрони, оставяйки повече положителни заряди (повече протони, отколкото електрони). Или добавете електрони и спечелете повече отрицателен заряд (повече електрони, отколкото протони). Този процес се нарича трибоелектричество.
Закон за подреждането
1. Електроните са подредени йерархично на различни електронни слоеве от близо и далеч от ядрото до ядрото, с енергия от ниска към висока.
2. The maximum number of electrons contained in each layer is 2n2 (n represents the number of electron layers).
3. Броят на електроните в най-външния слой не надвишава 8 (първият слой не надвишава 2), вторичният външен слой не надвишава 18, а предпоследният слой не надвишава 32.
4. Като цяло електроните винаги се подреждат първо в електронния слой с най-ниска енергия, т.е. първият слой се подрежда първо, когато първият слой е пълен, след това се подрежда вторият слой и след като вторият слой е пълен, И тогава се класира трети.
The electron cloud is a visual description of the probability density distribution of electrons in the space outside the nucleus. Electrons appear in a certain area of the space outside the nucleus, like a negatively charged cloud covering the nucleus. People call it vividly. As the "electronic cloud". It is an Austrian scholar Schrödinger in 1926 on the basis of De Broglie's equation, who did appropriate mathematical treatment of the movement of electrons, and proposed the famous Schrödinger equation of second-order partial differential. The solution of this equation, if represented graphically in three-dimensional coordinates, is an electronic cloud.
Атомна теория
В различни времена хората са имали различни спекулации относно начина, по който електроните съществуват в атомите.
Най-ранният атомен модел е моделът на сливовия пудинг на Томсън. Публикуван през 1904 г., Томсън вярва, че електроните са подредени равномерно в атомите, точно като отрицателно заредени сливи в положително зареден пудинг. През 1909 г. известният експеримент с разсейване на Ръдърфорд напълно отхвърля този модел.
Ръдърфорд проектира модела на Ръдърфорд през 1911 г. въз основа на резултатите от своите експерименти. В този модел по-голямата част от масата на атома е концентрирана в малко атомно ядро и по-голямата част от атома е във вакуум. Електроните обикалят около ядрото, както планета обикаля около слънцето. Този модел има огромно влияние върху бъдещите поколения. Досега много високотехнологични организации и звена все още използват атомни изображения на електрони около ядрото, за да се представят.
В рамките на класическата механика моделът на планетарната орбита има сериозен проблем, който не може да бъде обяснен: електроните, движещи се с ускорение, ще генерират електромагнитни вълни, а генерирането на електромагнитни вълни ще консумира енергия; в крайна сметка, електроните, които са изчерпали енергията си, ще ударят ядрото челно (както изкуствен спътник, който е изчерпал енергията си, в крайна сметка ще навлезе в земната атмосфера). През 1913 г. Нилс Бор предлага модела на Бор. В този модел електроните се движат по определена орбита извън ядрото. Колкото по-далеч от ядрото, толкова по-висока е орбиталната енергия. Когато електрон скочи до орбита, по-близо до ядрото, той освобождава енергия под формата на фотони. Обратно, енергията ще се абсорбира от орбитала на ниско ниво към орбитала на високо ниво. С тези квантувани орбитали Бор правилно изчислява спектъра на водородния атом. Използването на модела на Бор обаче не може да обясни относителните интензитети на спектралните линии, нито може да изчисли спектрите на по-сложни атоми. Тези проблеми все още не са обяснени от квантовата механика.
През 1916 г. американският физикохимик Гилбърт Луис успешно обяснява взаимодействието между атомите. Той предположи, че двойка споделени електрони между два атома образуват ковалентна връзка. През 1923 г. Уолтър Хайтлер и Фриц Лондон прилагат теорията на квантовата механика, за да обяснят напълно причините за генерирането на електронни двойки и образуването на химични връзки. През 1919 г. Оуен Лангмюър поставя модела на кубичен атом на Луис в кубичен атом. За да се използва, се препоръчва всички електрони да бъдат разпределени в слоеве от концентрични (почти концентрични) сферични обвивки с еднаква дебелина. Той раздели тези сферични черупки на няколко части, всяка от които съдържаше двойка електрони. Използвайки този модел, той успя да обясни периодичните химични свойства на всеки елемент в периодичната таблица.
През 1924 г. австрийският физик Волфганг Бабъл използва набор от параметри, за да обясни структурата на черупката на атомите. Четирите параметъра в тази група определят квантовото състояние на електрона. Всяко квантово състояние може да позволи само един електрон да заеме. (Това правило, което забранява повече от един електрон да заема едно и също квантово състояние, се нарича принцип на изключване на Паули). Първите три параметъра от тази група параметри са основното квантово число, ъгловото квантово число и магнитното квантово число. Четвъртият параметър може да има две различни стойности. През 1925 г. холандските физици Самуел Абрахам Гоудсмит и Джордж Уленбек предложиха физическия механизъм, представен от четвъртия параметър. Те вярват, че електроните, в допълнение към ъгловия импулс на орбиталното движение, може да имат присъщ ъглов импулс, наречен спин, който може да се използва за обяснение на мистериозното разделяне на спектралната линия, наблюдавано преди това със спектрометър с висока разделителна способност в експеримента. Това явление се нарича разцепване на фина структура.
Измерване на маса
Масата на електроните се появява в много основни закони в субатомното поле, но тъй като масата на частицата е изключително малка, е много трудно да се измери директно. Екип от физици преодоля тези предизвикателства и излезе с най-точното измерване на електронната маса досега.
Електронът е свързан в кухо въглеродно ядро и синтезираният атом е поставен в еднородно електромагнитно поле, наречено йонен капан на Пенинг. В йонния капан на Пенинг атомът започва да трепти със стабилна честота. Изследователският екип използва микровълни, за да изстреля уловения атом, карайки въртенето на електрона да се обръща нагоре и надолу. Сравнявайки честотата на въртеливото движение на атома с честотата на микровълновата въртене, изследователите са използвали уравнения на квантовата електродинамика, за да получат масата на електрона.
Позитрони срещу електрони
Сред многото теории, обясняващи ранната еволюция на Вселената, теорията за Големия взрив е научна теория, която може да бъде широко приета от общността на физиците. В първите няколко секунди от Големия взрив температурата е била много по-висока от 10 милиарда K. По това време средната енергия на фотоните е била много повече от 1,022 MeV и е имало достатъчно енергия за създаване на електронни и позитронни двойки.
В същото време антиелектронни и позитронни двойки също се унищожават взаимно в голям мащаб и излъчват високоенергийни фотони. В този кратък етап от еволюцията на вселената електроните, позитроните и фотоните се борят да поддържат деликатен баланс. Въпреки това, тъй като Вселената се разширява бързо, температурата продължава да се охлажда. За 10 секунди температурата е спаднала до 3 милиарда K, което е по-ниско от долната граница от 10 милиарда K за процеса на създаване на електрон-позитрон. Следователно фотоните вече нямат достатъчно енергия, за да създадат електронни и позитронни двойки, мащабно създаване на електрон-позитрон Инцидентът вече не се случва. Въпреки това, антиелектронът и позитронът продължават да се унищожават непрекъснато, излъчвайки високоенергийни фотони. Поради някои неидентифицирани фактори, в процеса на лептогенеза (физика) се създават повече позитрони, отколкото анти-електрони. В противен случай, ако броят на електроните е равен на броя на позитроните, няма да има електрони! Около всеки 1 милиард електрона, един позитрон ще оцелее в процеса на анихилация. Не само това, поради състояние, наречено барионна асиметрия, има повече протони, отколкото антипротони. По случайност броят на оставащите позитрони е точно същият като броя на положителните протони повече от антипротоните. Следователно нетният заряд на Вселената е нула, което е неутрално.
Полета за приложение
Има много области на приложение на електроните, като заваряване с електронен лъч, електронно-лъчеви тръби, електронни микроскопи, лъчева терапия, лазери и ускорители на частици и др. В лабораторията сложни сложни инструменти, като квадруполни йонни капани, могат да задържат електрони за дълго време време за наблюдение и измерване. Големи съоръжения за токамак, като Международния експериментален реактор за термоядрен синтез, постигат контролиран ядрен синтез чрез ограничаване на електрони и йонна плазма. Радиотелескопите могат да се използват за откриване на електронна плазма в космоса.
При тест в аеродинамичен тунел, проведен от Националната аеронавтика и космическа администрация, електронен лъч беше изстрелян към миниатюрен модел на космическата совалка, за да симулира свободния газ, обграждащ космическата совалка, когато тя се върна в атмосферата.
Астрономически наблюдения
Наблюдението на дълги разстояния на различни явления на електрони зависи главно от откриването на радиационната енергия на електроните. Например, във високоенергийна среда като короната на звезда, свободните електрони образуват плазма, която излъчва енергия чрез спирачно излъчване. Плазмено трептене на електронен газ. Това е вид флуктуация, която се причинява от бързото колебание на електронната плътност. Тази флуктуация ще предизвика излъчване на енергия. Астрономите могат да използват радиотелескопи, за да открият тази енергия.
Приложение за заваряване
Electron beam technology, used in welding, is called electron beam welding. This welding technology can focus heat energy up to 107W·cm2 energy density to a small area with a diameter of 0.3 to 1.3 mm. Using this technique, a craftsman can weld deeper objects, restricting most of the heat energy to a narrow area, without changing the texture of nearby materials. In order to avoid the possibility of substances being oxidized, electron beam welding must be carried out in a vacuum. For conductive materials that are not suitable for welding by ordinary methods, electron beam welding can be considered. In nuclear engineering and aerospace engineering, some high-value welding parts cannot tolerate any defects. At this time, engineers often choose to use electron beam welding to complete their tasks.
Печатни платки
Електронно-лъчева литография е метод за ецване на полупроводници с разделителна способност по-малка от един милиметър. Недостатъците на тази техника са високата цена, бавните процедури, трябва да се работи във вакуум и електронният лъч бързо ще се разпръсне в твърдо вещество и е трудно да се поддържа фокус. И накрая, този недостатък ограничава резолюцията да бъде не по-малка от 10nm. Следователно електронно-лъчевата литография се използва главно за подготовка на малък брой специални интегрални схеми.
Лъчетерапия
Технологията използва електронни лъчи за облъчване на вещества. По този начин могат да се променят физическите свойства на веществата или да се елиминират микроорганизмите, съдържащи се в медицински артикули и храни. Като вид лъчева терапия, линеен ускорител. Приготвеният електронен лъч се използва за облъчване на повърхностни тумори. Тъй като електронният лъч прониква само на ограничена дълбочина, преди да бъде абсорбиран (електронният лъч с енергия от 5 до 20 MeV обикновено може да проникне на 5 cm от организми), терапията с електронен лъч може да се използва за лечение на кожни заболявания като базалноклетъчен карцином. Терапията с електронен лъч също може да подпомогне лечението на области, които са били облъчени с рентгенови лъчи.
Ускорителите на частици използват електрически полета, за да увеличат енергията на електроните или позитроните, така че тези частици да имат висока енергия. Когато тези частици преминават през магнитно поле, те излъчват синхротронно лъчение. Тъй като интензитетът на излъчването е свързан със спина, той причинява поляризацията на електронния лъч. Този процес се нарича ефект на Соклов-Тнов. Много експерименти изискват използването на поляризирани електронни лъчи като източник на частици. Синхротронното лъчение може също да се използва за понижаване на температурата на електронния лъч и намаляване на отклонението на импулса на частиците. След като частицата достигне необходимата енергия, електронният лъч и позитронният лъч се сблъскват и унищожават един друг, което ще доведе до излъчване на високоенергийно лъчение. Откривайки разпределението на тези енергии, физиците могат да изучават физическото поведение на сблъсъци и анихилации между електрони и позитрони.
Технология за изображения
Технологията за нискоенергийна електронна дифракция (LEED) облъчва колимиран електронен лъч върху кристалния материал и след това прави заключение за структурата на материала въз основа на наблюдаваната дифракционна картина. Електронната енергия, използвана в тази технология, обикновено е между 20 и 200 eV. Технологията за отразена висока енергийна електронна дифракция (RHEED) облъчва колимиран електронен лъч върху кристалния материал под нисък ъгъл и след това събира модела на отражение, за да направи извод за данните върху кристалната повърхност. Енергията на електроните, използвани в тази технология, е между 8-20 keV, а ъгълът на падане е 1 до 4°.
Електронният микроскоп насочва фокусиран електронен лъч върху пробата. Поради взаимодействието на електронния лъч с пробата, свойствата на електроните ще се променят, като посока на движение, относителна фаза и енергия. Чрез внимателно анализиране на тези данни може да се получи примерно изображение с разделителна способност на атомен размер. Използвайки синя светлина, разделителната способност на обикновените оптични микроскопи е ограничена от дифракция, около 200 nm; в сравнение един с друг, разделителната способност на електронните микроскопи е ограничена от дължината на вълната на де Бройл на електроните. За електрони с енергия от 100 keV разделителната способност е Скоростта е приблизително 0,0037 nm. Трансмисионен електронен микроскоп за корекция на аберации. Разделителната способност може да бъде намалена до по-малко от 0,05 n, което е достатъчно ясно за наблюдение на отделни атоми. Тази способност прави електронния микроскоп незаменим инструмент за изображения с висока разделителна способност в лабораторията. Електронните микроскопи обаче са скъпи и трудни за поддръжка; и поради необходимостта да се поддържа вакуум в средата на пробата по време на работа, учените не могат да наблюдават живи организми.
Има два основни типа електронни микроскопи: проникващи и сканиращи. Принципът на работа на проникващия електронен микроскоп е подобен на този на шрайбпроектор. Електронният лъч се насочва към среза на пробата, за да се излъчи, а проникващите електрони след това се проектират върху филма или зарядно-свързан елемент с помощта на леща. Сканиращият електронен микроскоп сканира пробата с фокусиран електронен лъч, точно като растерно сканиране в дисплей. Увеличението на тези два електронни микроскопа може да варира от 100 пъти до 1 000 000 пъти или дори повече. Използвайки ефекта на квантовото тунелиране, сканиращият тунелен микроскоп тунелира електрони от острия метален връх към повърхността на пробата. За да се поддържа стабилен ток, върхът на иглата ще се движи с височината на повърхността на пробата, така че да може да се получи изображение на повърхността на пробата с резолюция на атомен размер.
Безплатен лазер
Лазерът на свободните електрони прекарва релативистичния електронен лъч през двойка вълни. Всеки ондулатор е съставен от редица магнитни диполни моменти на магнитно поле в променливи посоки. Поради действието на тези магнитни полета, електроните излъчват синхротронно лъчение; и това излъчване взаимодейства с електроните по кохерентен начин. Когато честотата съответства на резонансната честота, това ще доведе до силно усилване на радиационното поле. Лазерите със свободни електрони могат да излъчват кохерентно електромагнитно лъчение с висока емисия, а честотният диапазон е доста широк, от микровълни до меки рентгенови лъчи. В близко бъдеще този инструмент може да се използва в производството, комуникациите и различни медицински приложения, като хирургия на меките тъкани.