Johdanto
Elektronit ovat negatiivisesti varautuneita subatomisia hiukkasia. Se voi olla vapaa (ei kuulu mihinkään atomiin) tai se voi olla ytimeen sitoma. Atomissa olevat elektronit ovat erisäteisissä pallomaisissa kuorissa, jotka kuvaavat energiatasoja. Mitä suurempi pallomainen kuori on, sitä suurempi on elektronin sisältämä energia.
Sähköjohtimissa virta syntyy elektronien itsenäisestä liikkeestä atomien välillä, ja se virtaa yleensä katodista elektrodin anodille. Puolijohdemateriaaleissa virtaa synnyttävät myös liikkuvat elektronit. Mutta joskus on havainnollistavampaa ajatella virtaa elektronipuutteellisena liikkeenä atomista atomiin. Puolijohteiden elektroneja sisältäviä atomeja kutsutaan aukkoiksi. Yleensä reiät "liikkuvat" positiiviselta elektrodilta elektrodin negatiiviselle elektrodille.
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).
Aine-atomin perusyksikkö koostuu elektroneista, neutroneista ja protoneista. Neutronit eivät ole varautuneita, protonit ovat positiivisesti varautuneita, eivätkä atomit ole sähköisesti varautuneita ulospäin. Verrattuna neutroneista ja protoneista koostuvaan ytimeen elektronien massa on erittäin pieni. Protonin massa on noin 1840 kertaa elektronin massa.
Kun elektroni poistuu ytimestä ja liikkuu vapaasti muissa atomeissa, sen tuottamaa nettovirtausilmiötä kutsutaan sähkövirraksi.
Eri atomeilla on erilaiset kyvyt sitoa elektroneja, joten ne menettävät elektroneja ja muuttuvat positiivisiksi ioneiksi ja saavat elektroneja ja niistä tulee negatiivisia ioneja.
Staattisella sähköllä tarkoitetaan tilannetta, jossa esineessä on enemmän tai vähemmän sähköä kuin ytimessä, mikä johtaa positiivisen ja negatiivisen sähkön epätasapainoon. Kun elektroneja on ylimääräisiä, sanotaan, että esine on negatiivisesti varautunut; kun elektroneja ei ole tarpeeksi, sanotaan, että esine on positiivisesti varautunut. Kun positiivinen ja negatiivinen sähkö tasapainottavat, kohteen sanotaan olevan sähköisesti neutraali. Staattisen sähkön käyttötapoja on monia jokapäiväisessä elämässämme, joista esimerkkejä ovat lasertulostimet.
Tutkimushistoria
Joseph John Thomson Cambridgen yliopiston Cavendish-laboratoriosta löysi elektronin vuonna 1897 tutkiessaan katodisäteitä. Joseph John Thomson ehdotti jujube-kakkumallia.
Vuonna 1897 Joseph John Thomson Cavendish-laboratoriosta Cambridgen yliopistossa Englannissa teki uudelleen Hertzin kokeen. Käyttämällä tyhjiöputkea, jossa oli suurempi tyhjiöaste ja voimakkaampi sähkökenttä, hän tarkkaili negatiivisten säteiden taipumista ja laski negatiivisten säteiden hiukkasten (elektronien) massa-varaussuhteen. Siksi hän voitti Nobelin fysiikan palkinnon vuonna 1906. Thomson otti käyttöön George Stoneyn vuonna 1891 antaman nimen - elektronit kutsumaan tätä hiukkasta. Toistaiseksi Thomson on löytänyt elektronit ensimmäisinä ihmiskunnan löytämänä subatomisena hiukkasena ja ovina atomimaailmaan.
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.
Cambridgen yliopiston tutkijat ja kollegat Birminghamin yliopistosta valmistuivat yhteistyössä. Tiedonannossa todettiin, että elektroniikkaa pidetään yleensä jakamattomana. Cambridgen yliopiston tutkijat asettivat erittäin ohuet "kvanttimetallilangat" metallilevyn yläpuolelle, kontrolloivat niiden välistä etäisyyttä noin 30 atomia leveäksi ja asettivat ne erittäin alhaisen lämpötilan ympäristöön, joka on lähellä absoluuttista nollaa. Sitten he muuttivat ulkoista magneettikenttää ja löysivät metallin. Levyllä olevat elektronit halkesivat spinoneiksi ja reikiksi, kun ne hyppäävät langalle kvanttitunnelointivaikutuksen kautta.
Tämän ongelman ratkaisemiseksi amerikkalainen fyysikko Robert Laughlin ehdotti vuonna 1980 uutta teoriaa tämän palapelin ratkaisemiseksi. Teoria selitti myös ytimekkäästi elektronien välisen monimutkaisen vuorovaikutuksen. Tämän teorian hyväksyminen maksaa kuitenkin fysiikan yhteisölle: teoriasta johdetut omituiset johtopäätökset osoittavat, että virta koostuu itse asiassa kolmasosasta sähkövarauksesta.
Mutta vuonna 1981 fyysikot ehdottivat, että elektronit voidaan jakaa magneettisiksi spinoneiksi ja varautuneiksi reikiksi tietyissä erityisolosuhteissa.
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."
Ominaisuudet
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.
Aineen elektroneja voidaan kadota tai saada. Aineen ominaisuutta saada elektroneja kutsutaan hapettavaksi, ja aine on hapettava aine; aineen kykyä menettää elektroneja kutsutaan pelkistykseksi, ja aine on pelkistävä aine. Aineen hapettava tai pelkistävä ominaisuus määräytyy elektronien hankkimisen tai menetyksen vaikeudesta, eikä sillä ole mitään tekemistä saavien tai häviävien elektronien lukumäärän kanssa.
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.
Lopullinen varauksen kantaja ovat pienet elektronit, jotka muodostavat atomeja. Liikkuvassa atomissa jokaisella ytimen ympärillä liikkuvalla elektronilla on negatiivinen varausyksikkö ja ytimessä olevalla protonilla on yksikkö positiivista varausta. Normaaleissa olosuhteissa aineen elektronien ja protonien määrä on yhtä suuri, niiden kuljettamat varaukset ovat tasapainossa ja aine on neutraali. Kitkan jälkeen aine joko menettää elektroneja jättäen enemmän positiivisia varauksia (enemmän protoneja kuin elektroneja). Joko lisää elektroneja ja hanki enemmän negatiivista varausta (enemmän elektroneja kuin protoneja). Tätä prosessia kutsutaan tribosähköisyydeksi.
Järjestelylaki
1. Elektronit on järjestetty hierarkkisesti eri elektronikerroksille läheltä ja kaukaa ytimestä ytimeen, energialla matalasta korkeaan.
2. The maximum number of electrons contained in each layer is 2n2 (n represents the number of electron layers).
3. Elektronien lukumäärä uloimmassa kerroksessa ei ylitä 8 (ensimmäinen kerros ei ylitä 2), toissijainen ulkokerros ei ylitä 18 ja toiseksi viimeinen kerros enintään 32.
4. Yleensä elektronit sijoittuvat aina ensin alhaisimman energian elektronikerrokseen, eli ensimmäinen kerros järjestetään ensin, kun ensimmäinen kerros on täynnä, sitten toinen kerros ja toisen kerroksen täyttymisen jälkeen, Ja sitten sijoittui kolmanneksi.
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.
Atomiteoria
Eri aikoina ihmisillä on ollut erilaisia spekulaatioita elektronien olemassaolosta atomeissa.
Varhaisin atomimalli on Thomsonin luumuvanukasmalli. Vuonna 1904 julkaistu Thomson uskoi, että elektronit ovat järjestäytyneet tasaisesti atomeihin, aivan kuten negatiivisesti varautuneet luumut positiivisesti varautuneessa vanukkaassa. Vuonna 1909 kuuluisa Rutherfordin sirontakoe kukisti tämän mallin kokonaan.
Rutherford suunnitteli Rutherford-mallin vuonna 1911 kokeidensa tulosten perusteella. Tässä mallissa suurin osa atomin massasta on keskittynyt pieneen atomiytimeen ja suurin osa atomista on tyhjiössä. Elektronit kiertävät ydintä kuten planeetta kiertää aurinkoa. Tällä mallilla on ollut suuri vaikutus tuleviin sukupolviin. Tähän asti monet korkean teknologian organisaatiot ja yksiköt käyttävät edelleen atomikuvia ydintä ympäröivistä elektroneista edustaakseen itseään.
Klassisen mekaniikan puitteissa planeettaratamallissa on vakava ongelma, jota ei voida selittää: kiihtyvällä nopeudella liikkuvat elektronit synnyttävät sähkömagneettisia aaltoja ja sähkömagneettisten aaltojen tuottaminen kuluttaa energiaa; lopulta elektronit, joiden energia loppuu Se osuu ytimeen suoraan (kuten keinotekoinen satelliitti, jonka energia loppuu, tulee lopulta maan ilmakehään). Vuonna 1913 Niels Bohr ehdotti Bohrin mallia. Tässä mallissa elektronit liikkuvat tietyllä kiertoradalla ytimen ulkopuolella. Mitä kauempana ytimestä, sitä suurempi on kiertoradan energia. Kun elektroni hyppää kiertoradalle lähemmäs ydintä, se vapauttaa energiaa fotonien muodossa. Toisaalta energia imeytyy matalan tason kiertoradalta korkean tason kiertoradalle. Näillä kvantisoiduilla kiertoradoilla Bohr laski oikein vetyatomin spektrin. Bohrin mallilla ei kuitenkaan voida selittää spektriviivojen suhteellista intensiteettiä, eikä se voi laskea monimutkaisempien atomien spektrejä. Kvanttimekaniikan ei tarvitse vielä selittää näitä ongelmia.
Vuonna 1916 amerikkalainen fysikaalinen kemisti Gilbert Louis selitti onnistuneesti atomien välisen vuorovaikutuksen. Hän ehdotti, että kahden atomin välinen jaettu elektronipari muodostaa kovalenttisen sidoksen. Vuonna 1923 Walter Heitler ja Fritz London sovelsivat kvanttimekaniikan teoriaa selittääkseen täydellisesti syyt elektroniparien muodostumiseen ja kemiallisten sidosten muodostumiseen. Vuonna 1919 Owen Langmuir asetti Louisin kuutioatomimallin kuutioatomin. Sen hyödyntämiseksi on suositeltavaa, että kaikki elektronit jakautuvat samanpaksuisten samankeskisten (lähes samankeskisten) pallomaisten kuorien kerroksiin. Hän jakoi nämä pallomaiset kuoret useisiin osiin, joista jokainen sisälsi parin elektroneja. Tämän mallin avulla hän pystyi selittämään jokaisen jaksollisen taulukon alkuaineen jaksolliset kemialliset ominaisuudet.
Vuonna 1924 itävaltalainen fyysikko Wolfgang Bubble käytti parametreja selittääkseen atomien kuorirakenteen. Tämän ryhmän neljä parametria määräävät elektronin kvanttitilan. Jokainen kvanttitila voi sallia vain yhden elektronin miehityksen. (Tätä sääntöä, joka kieltää useamman kuin yhden elektronin miehittämästä samaa kvanttitilaa, kutsutaan Paulin poissulkemisperiaatteeksi). Tämän parametriryhmän kolme ensimmäistä parametria ovat pääkvanttiluku, kulmakvanttiluku ja magneettinen kvanttiluku. Neljännellä parametrilla voi olla kaksi eri arvoa. Vuonna 1925 hollantilaiset fyysikot Samuel Abraham Goudsmit ja George Uhlenbeck ehdottivat fyysistä mekanismia, jota edustaa neljäs parametri. He uskovat, että elektroneilla voi rataliikkeen kulmamomentin lisäksi olla luontainen kulmamomentti, jota kutsutaan spiniksi, jota voidaan käyttää selittämään aiemmin kokeessa korkearesoluutioisella spektrometrillä havaittua mystistä spektriviivan halkeilua. Tätä ilmiötä kutsutaan hienorakenteen halkeamiseksi.
Massan mittaus
Elektronien massa esiintyy monissa subatomikentän peruslaeissa, mutta koska hiukkasen massa on erittäin pieni, sitä on erittäin vaikea mitata suoraan. Fyysikkoryhmä voitti nämä haasteet ja keksi tähän mennessä tarkimman elektronisen massan mittauksen.
Elektroni on sidottu onttoon hiiliytimeen, ja syntetisoitu atomi sijoitetaan yhtenäiseen sähkömagneettiseen kenttään, jota kutsutaan Penning-ioniloukuksi. Penning-ioniloukussa atomi alkoi värähdellä vakaalla taajuudella. Tutkimusryhmä käytti mikroaaltoja ampumaan loukkuun jääneen atomin, mikä sai elektronien spinin kääntymään ylös ja alas. Vertaamalla atomin pyörimisliikkeen taajuutta spin-flip-mikroaallon taajuuteen tutkijat käyttivät kvanttielektrodynamiikan yhtälöitä elektronin massan saamiseksi.
Positronit elektroneja vastaan
Monien universumin varhaista kehitystä selittävien teorioiden joukossa Big Bang -teoria on tieteellinen teoria, jonka fysiikan yhteisö voi laajalti hyväksyä. Alkuräjähdyksen ensimmäisten sekuntien aikana lämpötila oli paljon korkeampi kuin 10 miljardia K. Tuolloin fotonien keskimääräinen energia oli paljon enemmän kuin 1,022 MeV, ja energiaa riitti elektroni- ja positroniparien muodostamiseen.
Samaan aikaan myös anti-elektroni- ja positroniparit tuhoavat toisiaan suuressa mittakaavassa ja lähettävät korkean energian fotoneja. Tässä universumin evoluution lyhyessä vaiheessa elektronit, positronit ja fotonit kamppailevat säilyttääkseen herkän tasapainon. Koska universumi kuitenkin laajenee nopeasti, lämpötila jatkaa jäähtymistä. 10 sekunnissa lämpötila on pudonnut 3 miljardiin K, mikä on pienempi kuin elektroni-positronin luomisprosessin 10 miljardin K alaraja. Siksi fotoneilla ei enää ole tarpeeksi energiaa luodakseen elektroni- ja positronipareja, suuren mittakaavan elektroni-positronin luominen. Tapausta ei enää tapahdu. Antielektroni ja positroni tuhoavat kuitenkin jatkuvasti toisiaan ja lähettävät korkean energian fotoneja. Joistakin tuntemattomista tekijöistä johtuen leptogeneesiprosessissa (fysiikka) syntyy enemmän positroneja kuin anti-elektroneja. Muuten, jos elektronien lukumäärä on yhtä suuri kuin positronien lukumäärä, elektroneja ei ole! Noin jokaista miljardia elektronia kohden yksi positroni selviää tuhoutumisprosessista. Paitsi että baryonin epäsymmetriaksi kutsutun tilan vuoksi protoneja on enemmän kuin antiprotoneja. Sattumalta jäljellä olevien positronien määrä on täsmälleen sama kuin positiivisten protonien lukumäärä enemmän kuin antiprotoneja. Siksi universumin nettovaraus on nolla, mikä on neutraali.
Sovelluskentät
Elektroneille on monia sovellusalueita, kuten elektronisuihkuhitsaus, katodisädeputket, elektronimikroskoopit, sädehoito, laserit ja hiukkaskiihdyttimet jne. Laboratoriossa kehittyneillä ja kehittyneillä instrumenteilla, kuten kvadrupoli-ioniloukut, voidaan sulkea elektroneja pitkäksi aikaa. aikaa tarkkailuun ja mittaamiseen. Suuret tokamak-laitokset, kuten International Thermonuclear Fusion Experimental Reactor, saavuttavat hallitun ydinfuusion rajoittamalla elektroneja ja ioniplasmaa. Radioteleskooppeja voidaan käyttää elektroniplasman havaitsemiseen ulkoavaruudessa.
Kansallisen ilmailu- ja avaruushallinnon suorittamassa tuulitunnelitestissä avaruussukkulan pienoismalliin ammuttiin elektronisuihku simuloimaan avaruussukkulaa ympäröivää vapaata kaasua sen palatessa ilmakehään.
Tähtitieteellinen havainto
Elektronien eri ilmiöiden pitkän matkan havainnointi riippuu pääasiassa elektronien säteilyenergian havaitsemisesta. Esimerkiksi korkeaenergisessä ympäristössä, kuten tähden koronassa, vapaat elektronit muodostavat plasman, joka säteilee energiaa jarruttamalla säteilyä. Elektronikaasun plasmavärähtely. Se on eräänlainen fluktuaatio, jonka aiheuttaa nopea elektronitiheyden värähtely. Tämä vaihtelu aiheuttaa energiapäästöjä. Tähtitieteilijät voivat käyttää radioteleskooppeja havaitakseen tämän energian.
Hitsaussovellus
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.
Painetut piirit
Elektronisuihkulitografia on menetelmä, jolla etsataan puolijohteita, joiden resoluutio on alle millimetri. Tämän tekniikan haittoja ovat korkeat kustannukset, hitaat toimenpiteet, sitä on käytettävä tyhjiössä, ja elektronisuihku hajoaa nopeasti kiinteään aineeseen, ja on vaikea ylläpitää tarkennusta. Lopuksi tämä puute rajoittaa resoluution olemaan vähintään 10 nm. Siksi elektronisuihkulitografiaa käytetään pääasiassa pienen määrän erityisten integroitujen piirien valmistukseen.
Sädehoito
Teknologia käyttää elektronisuihkua aineiden säteilyttämiseen. Tällä tavoin voidaan muuttaa aineiden fysikaalisia ominaisuuksia tai poistaa lääkinnällisten tuotteiden ja elintarvikkeiden sisältämät mikro-organismit. Eräänlaisena sädehoitona, lineaarinen kiihdytin. Valmistettua elektronisuihkua käytetään pinnallisten kasvainten säteilyttämiseen. Koska elektronisuihku tunkeutuu vain rajoitettuun syvyyteen ennen absorboitumista (5-20 MeV:n energiainen elektronisuihku voi yleensä tunkeutua 5 cm:n organismeista), elektronisuihkuhoitoa voidaan käyttää ihosairauksien, kuten tyvisolusyövän, hoitoon. Elektronisädehoito voi auttaa myös röntgensäteilyn säteilyttämien alueiden hoidossa.
Hiukkaskiihdyttimet käyttävät sähkökenttiä lisäämään elektronien tai positronien energiaa, jotta näillä hiukkasilla on korkea energia. Kun nämä hiukkaset kulkevat magneettikentän läpi, ne lähettävät synkrotronisäteilyä. Koska säteilyn intensiteetti liittyy spiniin, se aiheuttaa elektronisuihkun polarisaation. Tätä prosessia kutsutaan Soklov-Tnov-ilmiöksi. Monet kokeet vaativat polarisoitujen elektronisuihkujen käyttöä hiukkaslähteenä. Synkrotronisäteilyä voidaan käyttää myös alentamaan elektronisuihkun lämpötilaa ja pienentämään hiukkasten liikemäärän poikkeamaa. Kun hiukkanen saavuttaa vaaditun energian, elektronisuihku ja positronisäde törmäävät ja tuhoavat toisensa, mikä aiheuttaa korkeaenergisen säteilyn säteilemistä. Tunnistaessaan näiden energioiden jakautumisen fyysikot voivat tutkia elektronien ja positronien välisten törmäysten ja tuhoutumisten fyysistä käyttäytymistä.
Kuvaustekniikka
Matalaenergiaelektronidiffraktiotekniikka (LEED) säteilyttää kollimoidun elektronisuihkun kidemateriaalille ja päättelee sitten materiaalin rakenteen havaitun diffraktiokuvion perusteella. Tässä tekniikassa käytetty elektronienergia on yleensä 20-200 eV. Reflected High Energy Electron Diffraction (RHEED) -tekniikka säteilyttää kollimoidun elektronisuihkun kidemateriaaliin pienessä kulmassa ja kerää sitten heijastuskuvion päätelläkseen kiteen pinnalla olevat tiedot. Tässä tekniikassa käytettyjen elektronien energia on välillä 8-20 keV ja tulokulma 1-4°.
Elektronimikroskooppi kohdistaa näytteeseen kohdistetun elektronisäteen. Elektronisuihkun ja näytteen vuorovaikutuksesta johtuen elektronien ominaisuudet, kuten liikkeen suunta, suhteellinen vaihe ja energia muuttuvat. Analysoimalla nämä tiedot huolellisesti, voidaan saada näytekuva atomikoon resoluutiolla. Käyttämällä sinistä valoa tavallisten optisten mikroskooppien resoluutio on rajoitettu diffraktiolla, noin 200 nm; toisiinsa verrattuna elektronimikroskooppien resoluutiota rajoittaa elektronien de Broglien aallonpituus. Elektroneille, joiden energia on 100 keV, resoluutio on Nopeus on noin 0,0037 nm. Aberraation korjaustransmissioelektronimikroskooppi. Resoluutio voidaan pienentää alle 0,05 nm:iin, mikä on riittävän selkeä yksittäisten atomien tarkkailuun. Tämä kyky tekee elektronimikroskoopista välttämättömän instrumentin korkearesoluutioiseen kuvantamiseen laboratoriossa. Elektronimikroskoopit ovat kuitenkin kalliita ja vaikeita ylläpitää; ja koska näyteympäristössä on säilytettävä tyhjiö toiminnan aikana, tutkijat eivät voi tarkkailla eläviä organismeja.
Elektronimikroskooppeja on kahta päätyyppiä: penetraatio- ja pyyhkäisymikroskoopit. Läpäisevän elektronimikroskoopin toimintaperiaate on samanlainen kuin piirtoheittimen. Elektronisuihku suunnataan säteilevään näyteviipaleeseen, ja läpäisevät elektronit projisoidaan sitten kalvolle tai varaukseen kytketylle elementille linssin avulla. Pyyhkäisyelektronimikroskooppi skannaa näytteen fokusoidulla elektronisäteellä, aivan kuten rasteripyyhkäisy näytössä. Näiden kahden elektronimikroskoopin suurennus voi vaihdella 100-kertaisesta 1 000 000-kertaiseen tai jopa enemmän. Kvanttitunnelointitehosteen avulla pyyhkäisytunnelointimikroskooppi tunneloi elektroneja terävästä metallikärjestä näytteen pintaan. Vakaan virran ylläpitämiseksi neulan kärki liikkuu näytteen pinnan korkeuden mukana, jolloin näytteen pinnasta voidaan saada kuva atomikoon resoluutiolla.
Ilmainen laser
Vapaiden elektronien laser kuljettaa relativistisen elektronisäteen aaltoputkiparin läpi. Jokainen aaltoputki koostuu rivistä magneettikentän magneettisia dipolimomentteja vuorotellen. Näiden magneettikenttien vaikutuksesta elektronit lähettävät synkrotronisäteilyä; ja tämä säteily on vuorovaikutuksessa elektronien kanssa koherentilla tavalla. Kun taajuus vastaa resonanssitaajuutta, se aiheuttaa voimakkaan säteilykentän vahvistuksen. Vapaaelektronilaserit voivat lähettää koherenttia korkean emissiivisuuden sähkömagneettista säteilyä, ja taajuusalue on melko laaja mikroaalloista pehmeisiin röntgensäteisiin. Lähitulevaisuudessa tätä instrumenttia voidaan käyttää valmistuksessa, viestinnässä ja erilaisissa lääketieteellisissä sovelluksissa, kuten pehmytkudoskirurgiassa.