Úvod
Elektrony jsou záporně nabité subatomární částice. Může být volný (nepatří k žádnému atomu), nebo může být vázán jádrem. Elektrony v atomech existují v kulových obalech různých poloměrů a popisují energetické hladiny. Čím větší je kulový obal, tím vyšší je energie obsažená v elektronu.
V elektrických vodičích je proud generován nezávislým pohybem elektronů mezi atomy a obvykle proudí od katody k anodě elektrody. V polovodičových materiálech je proud generován také pohybujícími se elektrony. Někdy je však názornější uvažovat o proudu jako o pohybu s nedostatkem elektronů od atomu k atomu. Atomy s nedostatkem elektronů v polovodičích se nazývají díry. Obecně se otvory "pohybují" od kladné elektrody k záporné elektrodě elektrody.
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).
Základní jednotkou hmoty-atomu jsou elektrony, neutrony a protony. Neutrony nejsou nabité, protony jsou nabité kladně a atomy nejsou elektricky nabité směrem ven. Ve srovnání s jádrem složeným z neutronů a protonů je hmotnost elektronů extrémně malá. Hmotnost protonu je přibližně 1 840krát větší než hmotnost elektronu.
Když elektron opustí jádro a volně se pohybuje v jiných atomech, jev čistého toku, který vytváří, se nazývá elektrický proud.
Různé atomy mají různé schopnosti vázat elektrony, takže ztrácejí elektrony a stávají se kladnými ionty a získávají elektrony a stávají se zápornými ionty.
Statická elektřina se týká situace, kdy objekt má více nebo méně elektřiny než jádro, což vede k nerovnováze kladné a záporné elektřiny. Když tam jsou přebytečné elektrony, to je říkal, že objekt je záporně nabitý; když není dostatek elektronů, říká se, že předmět je kladně nabitý. Když se kladná a záporná elektřina vyrovná, objekt je považován za elektricky neutrální. V našem každodenním životě existuje mnoho způsobů aplikace statické elektřiny, mezi které patří například laserové tiskárny.
Historie výzkumu
Elektron objevil v roce 1897 Joseph John Thomson z Cavendish Laboratory na University of Cambridge při studiu katodových paprsků. Joseph John Thomson navrhl model dortu z jujube.
V roce 1897 Joseph John Thomson z Cavendish Laboratory na University of Cambridge v Anglii přepracoval Hertzův experiment. Pomocí elektronky s vyšším stupněm vakua a silnějším elektrickým polem pozoroval odchylku negativních paprsků a vypočítal poměr hmotnosti a náboje částic (elektronů) negativních paprsků. Proto získal v roce 1906 Nobelovu cenu za fyziku. Thomson přijal jméno dané Georgem Stoneym v roce 1891-elektrony, aby tuto částici nazval. Dosud byly elektrony objeveny Thomsonem jako první subatomární částice objevená lidstvem a brána do atomového světa.
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.
Výzkumníci z University of Cambridge a kolegové z University of Birmingham dokončili studii ve spolupráci. V komuniké se uvádí, že elektronika je obecně považována za nedělitelnou. Výzkumníci z University of Cambridge umístili extrémně tenké „kvantové kovové dráty“ nad kovovou desku, řídili vzdálenost mezi nimi tak, aby byla široká asi 30 atomů, a umístili je do prostředí s ultra nízkou teplotou blízko absolutní nuly. Potom změnili vnější magnetické pole a našli kov. Elektrony na desce se rozdělí na spinony a díry, když přeskakují na drát prostřednictvím efektu kvantového tunelování.
Za účelem vyřešení tohoto problému navrhl v roce 1980 americký fyzik Robert Laughlin novou teorii k vyřešení této hádanky. Teorie také stručně vysvětlila komplexní interakci mezi elektrony. Přijetí této teorie však stojí fyzikální komunitu: bizarní závěry odvozené z teorie ukazují, že proud je ve skutečnosti tvořen jednou třetinou elektronického náboje.
Ale v roce 1981 fyzici navrhli, že elektrony lze za určitých zvláštních podmínek rozdělit na magnetické spinony a nabité díry.
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."
Charakteristika
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.
Elektrony látky mohou být ztraceny nebo získány. Vlastnost látky získávat elektrony se nazývá oxidace a látka je oxidační činidlo; vlastnost látky ztrácet elektrony se nazývá redukce a látka je redukční činidlo. Oxidační nebo redukční vlastnost látky je určena obtížností získávání nebo ztráty elektronů a nemá nic společného s počtem přibývajících nebo ztrátových elektronů.
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.
Konečným nositelem náboje jsou drobné elektrony, které tvoří atomy. V pohybujícím se atomu má každý elektron pohybující se kolem jádra jednotku záporného náboje a proton v jádře má jednotku kladného náboje. Za normálních okolností je počet elektronů a protonů v látce stejný, náboje, které nesou, jsou vyvážené a látka je neutrální. Po tření hmota buď ztrácí elektrony a zanechává více kladných nábojů (více protonů než elektronů). Buď přidejte elektrony a získejte více záporného náboje (více elektronů než protonů). Tento proces se nazývá triboelektřina.
Aranžovací zákon
1. Elektrony jsou hierarchicky uspořádány na různých elektronových vrstvách od blízkého i vzdáleného jádra k jádru, s energií od nízké po vysokou.
2. The maximum number of electrons contained in each layer is 2n2 (n represents the number of electron layers).
3. Počet elektronů v nejvzdálenější vrstvě nepřesahuje 8 (první vrstva nepřesahuje 2), sekundární vnější vrstva nepřesahuje 18 a předposlední vrstva nepřesahuje 32.
4. Obecně platí, že elektrony jsou vždy nejprve uspořádány v elektronové vrstvě s nejnižší energií, to znamená, že první vrstva je uspořádána jako první, když je první vrstva plná, pak je uspořádána druhá vrstva a poté, co je plná druhá vrstva, A pak obsadil třetí místo.
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.
Atomová teorie
V různých dobách měli lidé různé spekulace o způsobu existence elektronů v atomech.
Nejstarší atomový model je Thomsonův model švestkového pudinku. Thomson publikoval v roce 1904 a věřil, že elektrony jsou uspořádány jednotně v atomech, stejně jako záporně nabité švestky v kladně nabitém pudinku. V roce 1909 slavný Rutherfordův rozptylový experiment tento model zcela svrhl.
Rutherford navrhl model Rutherford v roce 1911 na základě výsledků svých experimentů. V tomto modelu je většina hmoty atomu soustředěna v malém atomovém jádru a většina atomu je ve vakuu. Elektrony obíhají kolem jádra jako planeta kolem Slunce. Tento model měl obrovský dopad na budoucí generace. Až dosud mnoho technologicky vyspělých organizací a jednotek stále používá atomové obrazy elektronů obklopujících jádro, aby se prezentovaly.
V rámci klasické mechaniky má model planetární dráhy vážný problém, který nelze vysvětlit: elektrony pohybující se zrychlením budou generovat elektromagnetické vlny a generující elektromagnetické vlny spotřebovávají energii; nakonec elektrony, kterým dojde energie Zasáhne jádro čelně (jako umělá družice, které dojde energie, nakonec vstoupí do zemské atmosféry). V roce 1913 Niels Bohr navrhl Bohrův model. V tomto modelu se elektrony pohybují po určité dráze mimo jádro. Čím dále od jádra, tím vyšší je orbitální energie. Když elektron přeskočí na oběžnou dráhu blíže k jádru, uvolní energii ve formě fotonů. Naopak energie bude absorbována z nízkoúrovňového orbitalu na vysokoúrovňový orbital. S těmito kvantovanými orbitaly Bohr správně vypočítal spektrum atomu vodíku. Použití Bohrova modelu však nemůže vysvětlit relativní intenzity spektrálních čar, ani nemůže vypočítat spektra složitějších atomů. Tyto problémy musí kvantová mechanika ještě vysvětlit.
V roce 1916 americký fyzikální chemik Gilbert Louis úspěšně vysvětlil interakci mezi atomy. Navrhl, že pár sdílených elektronů mezi dvěma atomy tvoří kovalentní vazbu. V roce 1923 Walter Heitler a Fritz London aplikovali teorii kvantové mechaniky, aby plně vysvětlili důvody generování elektronových párů a vytváření chemických vazeb. V roce 1919 dal Owen Langmuir Louisův model kubického atomu krychlový atom. Pro jeho využití se doporučuje, aby byly všechny elektrony rozmístěny ve vrstvách soustředných (téměř soustředných) sférických obalů stejné tloušťky. Tyto kulové slupky rozdělil na několik částí, z nichž každá obsahovala pár elektronů. Pomocí tohoto modelu byl schopen vysvětlit periodické chemické vlastnosti každého prvku v periodické tabulce.
V roce 1924 rakouský fyzik Wolfgang Bubble použil sadu parametrů k vysvětlení struktury obalu atomů. Čtyři parametry v této skupině určují kvantový stav elektronu. Každý kvantový stav může umožnit obsazení pouze jednoho elektronu. (Toto pravidlo, které zakazuje více než jednomu elektronu obsadit stejný kvantový stav, se nazývá Pauliho vylučovací princip). První tři parametry této skupiny parametrů jsou hlavní kvantové číslo, úhlové kvantové číslo a magnetické kvantové číslo. Čtvrtý parametr může mít dvě různé hodnoty. V roce 1925 navrhli nizozemští fyzici Samuel Abraham Goudsmit a George Uhlenbeck fyzikální mechanismus reprezentovaný čtvrtým parametrem. Domnívají se, že elektrony, kromě momentu hybnosti orbitálního pohybu, mohou mít vlastní moment hybnosti, nazývaný spin, který může být použit k vysvětlení záhadného dělení spektrální čáry dříve pozorovaného pomocí spektrometru s vysokým rozlišením v experimentu. Tento jev se nazývá štěpení jemné struktury.
Hmotnostní měření
Hmotnost elektronů se objevuje v mnoha základních zákonech v subatomárním poli, ale protože je hmotnost částice extrémně malá, je velmi obtížné ji přímo změřit. Tým fyziků tyto výzvy překonal a přišel s dosud nejpřesnějším měřením elektronické hmoty.
Elektron je vázán v dutém uhlíkovém jádru a syntetizovaný atom je umístěn v jednotném elektromagnetickém poli zvaném Penningova iontová past. V Penningově iontové pasti začal atom kmitat na stabilní frekvenci. Výzkumný tým použil mikrovlny k vystřelení zachyceného atomu, což způsobilo, že rotace elektronů se překlápěla nahoru a dolů. Porovnáním frekvence rotačního pohybu atomu s frekvencí spin-flip mikrovlny vědci použili rovnice kvantové elektrodynamiky k získání hmotnosti elektronu.
Pozitrony proti elektronům
Mezi mnoha teoriemi vysvětlujícími raný vývoj vesmíru je teorie velkého třesku vědeckou teorií, která může být široce přijímána fyzikální komunitou. V prvních sekundách velkého třesku byla teplota mnohem vyšší než 10 miliard K. V té době byla průměrná energie fotonů mnohem více než 1,022 MeV a bylo dost energie na vytvoření elektronových a pozitronových párů.
Ve stejné době se také antielektronové a pozitronové páry navzájem ve velkém rozsahu anihilují a emitují fotony s vysokou energií. V této krátké fázi vývoje vesmíru se elektrony, pozitrony a fotony snaží udržet křehkou rovnováhu. Protože se však vesmír rychle rozpíná, teplota nadále klesá. Za 10 sekund teplota klesla na 3 miliardy K, což je nižší než spodní hranice 10 miliard K pro proces tvorby elektronu a pozitronu. Proto již fotony nemají dostatek energie k vytvoření elektronových a pozitronových párů, tvorba elektron-pozitron ve velkém měřítku K incidentu již nedochází. Anti-elektron a pozitron se však nadále nepřetržitě navzájem anihilují a emitují fotony s vysokou energií. Vlivem některých neidentifikovaných faktorů vzniká v procesu leptogeneze (fyziky) více pozitronů než antielektronů. V opačném případě, pokud je počet elektronů roven počtu pozitronů, nebudou žádné elektrony! Přibližně každá 1 miliarda elektronů přežije proces anihilace jeden pozitron. A nejen to, kvůli stavu zvanému baryonová asymetrie existuje více protonů než antiprotonů. Shodou okolností je počet zbývajících pozitronů přesně stejný jako počet kladných protonů více než antiprotonů. Proto je čistý náboj vesmíru nulový, což je neutrální.
Oblasti použití
Existuje mnoho oblastí použití pro elektrony, jako je svařování elektronovým paprskem, katodové trubice, elektronové mikroskopy, radiační terapie, lasery a urychlovače částic atd. V laboratoři mohou sofistikované sofistikované přístroje, jako jsou kvadrupólové iontové pasti, zadržet elektrony na dlouhou dobu. čas na pozorování a měření. Velká zařízení na tokamaky, jako je Mezinárodní experimentální reaktor termonukleární fúze, dosahují řízené jaderné fúze omezením elektronů a iontového plazmatu. Radioteleskopy mohou být použity k detekci elektronového plazmatu ve vesmíru.
Při testu v aerodynamickém tunelu, který provedl Národní úřad pro letectví a vesmír, byl na miniaturní model raketoplánu vystřelen elektronový paprsek, aby se simuloval volný plyn obklopující raketoplán, když se vrátil do atmosféry.
Astronomické pozorování
Dálkové pozorování různých jevů elektronů závisí především na detekci energie záření elektronů. Například ve vysokoenergetickém prostředí, jako je koróna hvězdy, volné elektrony tvoří plazmu, která vyzařuje energii brzdným zářením. Plazmové oscilace elektronového plynu. Jde o jakési kolísání, které je způsobeno rychlou oscilací elektronové hustoty. Toto kolísání způsobí emisi energie. Astronomové mohou k detekci této energie použít radioteleskopy.
Aplikace svařování
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.
Tištěné obvody
Elektronová litografie je metoda leptání polovodičů s rozlišením menším než jeden milimetr. Nevýhody této techniky jsou vysoké náklady, pomalé postupy, musí být provozována ve vakuu a elektronový paprsek se rychle rozptýlí v pevné látce a je obtížné udržet zaostření. Konečně tento nedostatek omezuje rozlišení na minimálně 10 nm. Proto se elektronová litografie používá především k přípravě malého počtu speciálních integrovaných obvodů.
Radiační terapie
Technologie využívá elektronové paprsky k ozařování látek. Tímto způsobem lze měnit fyzikální vlastnosti látek nebo eliminovat mikroorganismy obsažené v lékařských předmětech a potravinách. Jako druh radiační terapie, lineární urychlovač. Připravený elektronový paprsek se používá k ozařování povrchových nádorů. Vzhledem k tomu, že elektronový paprsek proniká pouze do omezené hloubky, než je absorbován (elektronový paprsek s energií 5 až 20 MeV může obvykle proniknout 5 cm organismů), lze terapii elektronovým paprskem použít k léčbě kožních onemocnění, jako je bazaliom . Terapie elektronovým paprskem může také pomoci při léčbě oblastí, které byly ozářeny rentgenovým zářením.
Urychlovače částic využívají elektrická pole ke zvýšení energie elektronů nebo pozitronů, takže tyto částice mají vysokou energii. Když tyto částice procházejí magnetickým polem, emitují synchrotronové záření. Protože intenzita záření souvisí se spinem, způsobuje polarizaci elektronového paprsku. Tento proces se nazývá Sokolov-Tnovský efekt. Mnoho experimentů vyžaduje použití polarizovaných elektronových paprsků jako zdroje částic. Synchrotronové záření lze také použít ke snížení teploty elektronového paprsku a snížení odchylky hybnosti částic. Jakmile částice dosáhne požadované energie, elektronový paprsek a pozitronový paprsek se srazí a navzájem anihilují, což způsobí vyzařování vysokoenergetického záření. Při detekci distribuce těchto energií mohou fyzici studovat fyzikální chování srážek a anihilací mezi elektrony a pozitrony.
Zobrazovací technologie
Technologie nízkoenergetické elektronové difrakce (LEED) ozařuje kolimovaný elektronový paprsek na materiál krystalu a poté odvodí strukturu materiálu na základě pozorovaného difrakčního vzoru. Energie elektronů použitá v této technologii je obvykle mezi 20 a 200 eV. Technologie reflektované vysokoenergetické elektronové difrakce (RHEED) ozařuje kolimovaný elektronový paprsek na materiál krystalu pod nízkým úhlem a poté shromažďuje odrazový vzor, aby odvodila data na povrchu krystalu. Energie elektronů používaných v této technologii je mezi 8-20 keV a úhel dopadu je 1 až 4°.
Elektronový mikroskop dopadá fokusovaný elektronový paprsek na vzorek. Vlivem interakce elektronového paprsku se vzorkem se změní vlastnosti elektronů, jako je směr pohybu, relativní fáze a energie. Pečlivou analýzou těchto dat lze získat vzorový obrázek s rozlišením atomární velikosti. Při použití modrého světla je rozlišení běžných optických mikroskopů omezeno difrakcí, asi 200nm; ve srovnání s ostatními je rozlišovací schopnost elektronových mikroskopů omezena de Broglieho vlnovou délkou elektronů. Pro elektrony s energií 100keV je rozlišení Rychlost je přibližně 0,0037nm. Transmisní elektronový mikroskop pro korekci aberace. Rozlišení lze snížit na méně než 0,05 nm, což je dostatečně jasné pro pozorování jednotlivých atomů. Tato schopnost dělá z elektronového mikroskopu nepostradatelný nástroj pro zobrazování s vysokým rozlišením v laboratoři. Elektronové mikroskopy jsou však drahé a obtížně se udržují; a protože je potřeba udržovat během provozu v prostředí vzorku vakuum, vědci nemohou pozorovat živé organismy.
Existují dva hlavní typy elektronových mikroskopů: penetrační a skenovací. Princip činnosti penetračního elektronového mikroskopu je podobný jako u zpětného projektoru. Elektronový paprsek je namířen na plátek vzorku, který má být emitován, a pronikající elektrony jsou pak promítány na film nebo prvek s nábojovou vazbou pomocí čočky. Rastrovací elektronový mikroskop snímá vzorek zaostřeným elektronovým paprskem, stejně jako rastrové skenování na displeji. Zvětšení těchto dvou elektronových mikroskopů se může pohybovat od 100krát do 1 000 000krát nebo dokonce více. Pomocí efektu kvantového tunelování tuneluje skenovací tunelový mikroskop elektrony z ostrého kovového hrotu na povrch vzorku. Pro udržení stabilního proudu se bude hrot jehly pohybovat s výškou povrchu vzorku, takže lze získat obraz povrchu vzorku s rozlišením atomární velikosti.
Laser zdarma
Volný elektronový laser prochází relativistickým elektronovým svazkem přes dvojici undulátorů. Každý undulátor je složen z řady magnetických dipólových momentů magnetického pole ve střídavých směrech. Působením těchto magnetických polí elektrony emitují synchrotronové záření; a toto záření interaguje s elektrony koherentním způsobem. Když se frekvence shoduje s rezonanční frekvencí, způsobí to silné zesílení radiačního pole. Lasery s volnými elektrony mohou emitovat koherentní vysokoemisivní elektromagnetické záření a frekvenční rozsah je poměrně široký, od mikrovln po měkké rentgenové záření. V blízké budoucnosti může být tento nástroj použit ve výrobě, komunikaci a různých lékařských aplikacích, jako je chirurgie měkkých tkání.