introduzione
Gli elettroni sono particelle subatomiche caricate negativamente. Può essere libero (non appartenente ad alcun atomo), oppure può essere legato dal nucleo. Gli elettroni negli atomi esistono in gusci sferici di vari raggi e che descrivono livelli di energia. Più grande è il guscio sferico, maggiore è l'energia contenuta nell'elettrone.
Nei conduttori elettrici, la corrente è generata dal movimento indipendente degli elettroni tra gli atomi e di solito scorre dal catodo all'anodo dell'elettrodo. Nei materiali semiconduttori, la corrente è generata anche dal movimento degli elettroni. Ma a volte è più illustrativo pensare alla corrente come a un movimento privo di elettroni da un atomo all'altro. Gli atomi deficienti di elettroni nei semiconduttori sono chiamati buchi. Generalmente, i fori "si spostano" dall'elettrodo positivo all'elettrodo negativo dell'elettrodo.
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).
L'unità base della materia-atomo è composta da elettroni, neutroni e protoni. I neutroni non sono carichi, i protoni sono caricati positivamente e gli atomi non sono caricati elettricamente verso l'esterno. Rispetto al nucleo composto da neutroni e protoni, la massa degli elettroni è estremamente piccola. La massa di un protone è circa 1840 volte quella di un elettrone.
Quando un elettrone lascia il nucleo e si muove liberamente in altri atomi, il fenomeno di flusso netto che produce è chiamato corrente elettrica.
Vari atomi hanno capacità diverse di legare gli elettroni, quindi perdono elettroni e diventano ioni positivi, guadagnano elettroni e diventano ioni negativi.
L'elettricità statica si riferisce alla situazione in cui un oggetto ha più o meno elettricità del nucleo, con conseguente squilibrio di elettricità positiva e negativa. Quando ci sono elettroni in eccesso, si dice che l'oggetto è caricato negativamente; quando non ci sono abbastanza elettroni, si dice che l'oggetto è caricato positivamente. Quando l'elettricità positiva e negativa si bilanciano, si dice che l'oggetto è elettricamente neutro. Esistono molti metodi di applicazione dell'elettricità statica nella nostra vita quotidiana, tra cui le stampanti laser ne sono un esempio.
Storia della ricerca
L'elettrone fu scoperto nel 1897 da Joseph John Thomson del Cavendish Laboratory dell'Università di Cambridge mentre studiava i raggi catodici. Joseph John Thomson ha proposto il modello della torta di giuggiola.
Nel 1897, Joseph John Thomson del Cavendish Laboratory dell'Università di Cambridge, in Inghilterra, rifece l'esperimento di Hertz. Usando un tubo a vuoto con un grado di vuoto più elevato e un campo elettrico più forte, osservò la deflessione dei raggi negativi e calcolò il rapporto massa-carica delle particelle (elettroni) dei raggi negativi. Pertanto, ha vinto il premio Nobel per la fisica nel 1906. Thomson ha adottato il nome dato da George Stoney nel 1891-elettroni per chiamare questa particella. Finora, gli elettroni sono stati scoperti da Thomson come la prima particella subatomica scoperta dall'umanità e la porta del mondo atomico.
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.
Ricercatori dell'Università di Cambridge e colleghi dell'Università di Birmingham hanno completato uno studio in collaborazione. Il comunicato affermava che l'elettronica è generalmente considerata indivisibile. I ricercatori dell'Università di Cambridge hanno posizionato "fili di metallo quantico" estremamente sottili sopra una piastra metallica, controllando che la distanza tra loro fosse larga circa 30 atomi e li hanno collocati in un ambiente a temperatura estremamente bassa vicino allo zero assoluto. Quindi, hanno cambiato il campo magnetico esterno e hanno trovato il metallo. Gli elettroni sulla scheda si dividono in spinoni e buchi quando saltano sul filo attraverso l'effetto di tunneling quantistico.
Per risolvere questo problema, nel 1980, il fisico americano Robert Laughlin propose una nuova teoria per risolvere questo enigma. La teoria ha anche spiegato sinteticamente la complessa interazione tra gli elettroni. Tuttavia, accettare questa teoria costa alla comunità dei fisici: le bizzarre deduzioni derivate dalla teoria mostrano che la corrente è in realtà costituita da un terzo della carica elettronica.
Ma nel 1981, i fisici proposero che gli elettroni potessero essere divisi in spinoni magnetici e lacune cariche in determinate condizioni speciali.
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."
Caratteristiche
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.
Gli elettroni di una sostanza possono essere persi o ottenuti. La proprietà di una sostanza di acquisire elettroni è chiamata ossidante e la sostanza è un agente ossidante; la proprietà di una sostanza di perdere elettroni è chiamata riducente e la sostanza è un agente riducente. La proprietà ossidante o riducente di una sostanza è determinata dalla difficoltà di guadagnare o perdere elettroni e non ha nulla a che fare con il numero di elettroni che guadagnano o perdono.
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.
L'ultimo portatore di carica sono i minuscoli elettroni che compongono gli atomi. In un atomo in movimento, ogni elettrone che si muove attorno al nucleo ha un'unità di carica negativa e il protone nel nucleo ha un'unità di carica positiva. In circostanze normali, il numero di elettroni e protoni in una sostanza è uguale, le cariche che trasportano sono bilanciate e la sostanza è neutra. Dopo l'attrito, la materia perde elettroni, lasciando più cariche positive (più protoni che elettroni). O aggiungi elettroni e ottieni più carica negativa (più elettroni che protoni). Questo processo è chiamato triboelettricità.
Diritto di disposizione
1. Gli elettroni sono disposti gerarchicamente su diversi strati di elettroni da vicino e lontano dal nucleo al nucleo, con energia dal basso verso l'alto.
2. The maximum number of electrons contained in each layer is 2n2 (n represents the number of electron layers).
3. Il numero di elettroni nello strato più esterno non supera 8 (il primo strato non supera 2), lo strato esterno secondario non supera 18 e il penultimo strato non supera 32.
4. Generalmente, gli elettroni sono sempre disposti prima nello strato di elettroni con l'energia più bassa, cioè il primo strato è disposto per primo, quando il primo strato è pieno, quindi è disposto il secondo strato e dopo che il secondo strato è pieno, E poi al terzo posto.
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.
Teoria atomica
In tempi diversi, le persone hanno avuto varie speculazioni sul modo in cui gli elettroni esistono negli atomi.
Il primo modello atomico è il modello di budino di prugne di Thomson. Pubblicato nel 1904, Thomson credeva che gli elettroni fossero disposti uniformemente negli atomi, proprio come le prugne caricate negativamente in un budino caricato positivamente. Nel 1909, il famoso esperimento di scattering di Rutherford rovesciò completamente questo modello.
Rutherford progettò il modello di Rutherford nel 1911 sulla base dei risultati dei suoi esperimenti. In questo modello, la maggior parte della massa di un atomo è concentrata in un piccolo nucleo atomico e la maggior parte dell'atomo è nel vuoto. Gli elettroni orbitano attorno al nucleo come un pianeta orbita attorno al sole. Questo modello ha avuto un enorme impatto sulle generazioni future. Fino ad ora, molte organizzazioni e unità high-tech usano ancora immagini atomiche di elettroni che circondano il nucleo per rappresentare se stesse.
Nell'ambito della meccanica classica, il modello dell'orbita planetaria ha un problema serio che non può essere spiegato: gli elettroni che si muovono ad un'accelerazione genereranno onde elettromagnetiche e la generazione di onde elettromagnetiche consumerà energia; alla fine, gli elettroni che esauriscono l'energia colpiranno il nucleo frontalmente (come un satellite artificiale che esaurisce l'energia finirà per entrare nell'atmosfera terrestre). Nel 1913 Niels Bohr propose il modello di Bohr. In questo modello, gli elettroni si muovono in un'orbita specifica al di fuori del nucleo. Più lontano dal nucleo, maggiore è l'energia orbitale. Quando un elettrone salta su un'orbita più vicina al nucleo, rilascia energia sotto forma di fotoni. Al contrario, l'energia sarà assorbita dall'orbitale di basso livello all'orbitale di alto livello. Con questi orbitali quantizzati, Bohr calcolò correttamente lo spettro dell'atomo di idrogeno. Tuttavia, l'utilizzo del modello di Bohr non può spiegare le intensità relative delle righe spettrali, né può calcolare gli spettri di atomi più complessi. Questi problemi devono ancora essere spiegati dalla meccanica quantistica.
Nel 1916, il chimico fisico americano Gilbert Louis spiegò con successo l'interazione tra gli atomi. Ha suggerito che una coppia di elettroni condivisi tra due atomi formi un legame covalente. Nel 1923, Walter Heitler e Fritz London applicarono la teoria della meccanica quantistica per spiegare completamente le ragioni della generazione di coppie di elettroni e della formazione di legami chimici. Nel 1919, Owen Langmuir mise il modello di atomo cubico di Louis cubeicalatom. Per farne uso, si raccomanda che tutti gli elettroni siano distribuiti in strati di gusci sferici concentrici (quasi concentrici) di uguale spessore. Ha diviso questi gusci sferici in più parti, ciascuna delle quali conteneva una coppia di elettroni. Usando questo modello, è stato in grado di spiegare le proprietà chimiche periodiche di ogni elemento della tavola periodica.
Nel 1924, il fisico austriaco Wolfgang Bubble usò una serie di parametri per spiegare la struttura a guscio degli atomi. I quattro parametri di questo gruppo determinano lo stato quantico dell'elettrone. Ogni stato quantico può consentire l'occupazione di un solo elettrone. (Questa regola che proibisce a più di un elettrone di occupare lo stesso stato quantico è chiamata principio di esclusione di Pauli). I primi tre parametri di questo gruppo di parametri sono il numero quantico principale, il numero quantico angolare e il numero quantico magnetico. Il quarto parametro può avere due valori diversi. Nel 1925 i fisici olandesi Samuel Abraham Goudsmit e George Uhlenbeck proposero il meccanismo fisico rappresentato dal quarto parametro. Ritengono che gli elettroni, oltre al momento angolare del movimento orbitale, possano avere un momento angolare intrinseco, chiamato spin, che può essere utilizzato per spiegare la misteriosa divisione della linea spettrale precedentemente osservata con uno spettrometro ad alta risoluzione nell'esperimento. Questo fenomeno è chiamato scissione della struttura fine.
Misura di massa
La massa degli elettroni appare in molte leggi fondamentali nel campo subatomico, ma poiché la massa della particella è estremamente piccola, è molto difficile misurarla direttamente. Un team di fisici ha superato queste sfide e ha realizzato la misurazione più accurata della massa elettronica fino ad oggi.
Un elettrone è legato in un nucleo di carbonio cavo e l'atomo sintetizzato è posto in un campo elettromagnetico uniforme chiamato trappola ionica di Penning. Nella trappola ionica di Penning, l'atomo ha iniziato a oscillare a una frequenza stabile. Il team di ricerca ha utilizzato le microonde per sparare all'atomo intrappolato, facendo oscillare lo spin dell'elettrone su e giù. Confrontando la frequenza del moto rotatorio dell'atomo con la frequenza del microonde spin-flip, i ricercatori hanno usato le equazioni dell'elettrodinamica quantistica per ottenere la massa dell'elettrone.
Positroni contro elettroni
Tra le molte teorie che spiegano la prima evoluzione dell'universo, la teoria del Big Bang è una teoria scientifica che può essere ampiamente accettata dalla comunità dei fisici. Nei primi secondi del Big Bang, la temperatura era molto più alta di 10 miliardi di K. A quel tempo, l'energia media dei fotoni era molto più di 1.022 MeV, e c'era abbastanza energia per creare coppie di elettroni e positroni.
Allo stesso tempo, anche le coppie anti-elettrone e positrone si annichilano a vicenda su larga scala ed emettono fotoni ad alta energia. In questa breve fase dell'evoluzione dell'universo, elettroni, positroni e fotoni lottano per mantenere un delicato equilibrio. Tuttavia, poiché l'universo è in rapida espansione, la temperatura continua a raffreddarsi. In 10 secondi, la temperatura è scesa a 3 miliardi di K, che è inferiore al limite inferiore di 10 miliardi di K per il processo di creazione elettrone-positrone. Pertanto, i fotoni non hanno più abbastanza energia per creare coppie di elettroni e positroni, creazione di elettroni-positroni su larga scalaL'incidente non si verifica più. Tuttavia, l'antielettrone e il positrone continuano ad annichilarsi a vicenda continuamente, emettendo fotoni ad alta energia. A causa di alcuni fattori non identificati, nel processo di leptogenesi (fisica), vengono creati più positroni che antielettroni. Altrimenti, se il numero di elettroni è uguale al numero di positroni, non ci saranno elettroni! Circa ogni miliardo di elettroni, un positrone sopravviverà al processo di annichilazione. Non solo, a causa di una condizione chiamata asimmetria barionica, ci sono più protoni che antiprotoni. Per coincidenza, il numero di positroni rimanenti è esattamente uguale al numero di protoni positivi in più rispetto agli antiprotoni. Pertanto, la carica netta dell'universo è zero, che è neutra.
Campi di applicazione
Ci sono molti campi di applicazione per gli elettroni, come saldatura a fascio di elettroni, tubi a raggi catodici, microscopi elettronici, radioterapia, laser e acceleratori di particelle, ecc. tempo di osservazione e misurazione. Grandi strutture tokamak, come l'International Thermonuclear Fusion Experimental Reactor, ottengono una fusione nucleare controllata confinando elettroni e plasma di ioni. I radiotelescopi possono essere utilizzati per rilevare il plasma di elettroni nello spazio.
In un test nella galleria del vento condotto dalla National Aeronautics and Space Administration, un raggio di elettroni è stato lanciato contro un modello in miniatura dello space shuttle per simulare il gas libero che circonda lo space shuttle quando ritorna nell'atmosfera.
Osservazione astronomica
L'osservazione a lunga distanza di vari fenomeni di elettroni dipende principalmente dal rilevamento dell'energia di radiazione degli elettroni. Ad esempio, in un ambiente ad alta energia come la corona di una stella, gli elettroni liberi formano un plasma che irradia energia frenando la radiazione. Oscillazione del plasma del gas di elettroni. È una sorta di fluttuazione, causata dalla rapida oscillazione della densità elettronica. Questa fluttuazione causerà l'emissione di energia. Gli astronomi possono utilizzare i radiotelescopi per rilevare questa energia.
Applicazione di saldatura
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.
Circuiti stampati
La litografia a fascio di elettroni è un metodo per incidere semiconduttori con una risoluzione inferiore a un millimetro. Gli svantaggi di questa tecnica sono il costo elevato, le procedure lente, la necessità di operare nel vuoto e il fascio di elettroni si disperderà rapidamente in un solido ed è difficile mantenere la messa a fuoco. Infine, questa mancanza limita la risoluzione a non meno di 10 nm. Pertanto, la litografia a fascio di elettroni viene utilizzata principalmente per preparare un piccolo numero di circuiti integrati speciali.
Radioterapia
La tecnologia utilizza fasci di elettroni per irradiare sostanze. In questo modo è possibile modificare le proprietà fisiche delle sostanze o eliminare i microrganismi contenuti in articoli medicali e alimenti. Come una sorta di radioterapia, acceleratore lineare. Il fascio di elettroni preparato viene utilizzato per irradiare tumori superficiali. Poiché il fascio di elettroni penetra solo a una profondità limitata prima di essere assorbito (il fascio di elettroni con un'energia da 5 a 20 MeV può solitamente penetrare 5 cm di organismi), la terapia con fascio di elettroni può essere utilizzata per trattare malattie della pelle come il carcinoma basocellulare. La terapia con fasci di elettroni può anche aiutare nel trattamento di aree che sono state irradiate dai raggi X.
Gli acceleratori di particelle utilizzano campi elettrici per aumentare l'energia di elettroni o positroni, in modo che queste particelle abbiano un'energia elevata. Quando queste particelle attraversano un campo magnetico, emettono radiazione di sincrotrone. Poiché l'intensità della radiazione è correlata allo spin, provoca la polarizzazione del fascio di elettroni. Questo processo è chiamato effetto Soklov-Tnov. Molti esperimenti richiedono l'uso di fasci di elettroni polarizzati come sorgente di particelle. La radiazione di sincrotrone può anche essere utilizzata per abbassare la temperatura del fascio di elettroni e ridurre la deviazione del momento delle particelle. Una volta che la particella raggiunge l'energia richiesta, il fascio di elettroni e il fascio di positroni si scontrano e si annichilano a vicenda, causando l'emissione di radiazioni ad alta energia. Rilevando la distribuzione di queste energie, i fisici possono studiare il comportamento fisico delle collisioni e delle annichilazioni tra elettroni e positroni.
Tecnologia delle immagini
La tecnologia di diffrazione elettronica a bassa energia (LEED) irradia un fascio di elettroni collimato sul materiale cristallino, quindi deduce la struttura del materiale in base al modello di diffrazione osservato. L'energia degli elettroni utilizzata in questa tecnologia è solitamente compresa tra 20 e 200 eV. La tecnologia Reflected High Energy Electron Diffraction (RHEED) irradia un fascio di elettroni collimato sul materiale cristallino a un angolo basso, quindi raccoglie il modello di riflessione per dedurre i dati sulla superficie del cristallo. L'energia degli elettroni utilizzati in questa tecnologia è compresa tra 8 e 20 keV e l'angolo di incidenza è compreso tra 1 e 4°.
Il microscopio elettronico incide un fascio di elettroni focalizzato sul campione. A causa dell'interazione del fascio di elettroni con il campione, le proprietà degli elettroni cambieranno, come la direzione del movimento, la fase relativa e l'energia. Analizzando attentamente questi dati, è possibile ottenere un'immagine campione con una risoluzione di dimensioni atomiche. Utilizzando la luce blu, la risoluzione dei normali microscopi ottici è limitata dalla diffrazione, circa 200 nm; confrontati tra loro, la risoluzione dei microscopi elettronici è limitata dalla lunghezza d'onda degli elettroni di de Broglie. Per gli elettroni con energia di 100keV, la risoluzione è La velocità è di circa 0,0037 nm. Microscopio elettronico a trasmissione con correzione dell'aberrazione. La risoluzione può essere ridotta a meno di 0,05 nm, che è abbastanza chiara per osservare i singoli atomi. Questa capacità rende il microscopio elettronico uno strumento indispensabile per l'imaging ad alta risoluzione in laboratorio. Tuttavia, i microscopi elettronici sono costosi e difficili da mantenere; ea causa della necessità di mantenere un vuoto nell'ambiente del campione durante il funzionamento, gli scienziati non possono osservare gli organismi viventi.
Esistono due tipi principali di microscopi elettronici: a penetrazione e a scansione. Il principio di funzionamento del microscopio elettronico a penetrazione è simile a quello di una lavagna luminosa. Il fascio di elettroni è puntato sulla fetta di campione da emettere e gli elettroni che penetrano vengono quindi proiettati sulla pellicola o sull'elemento ad accoppiamento di carica utilizzando una lente. Un microscopio elettronico a scansione esegue la scansione del campione con un fascio di elettroni focalizzato, proprio come una scansione raster in un display. L'ingrandimento di questi due microscopi elettronici può variare da 100 volte a 1.000.000 di volte o anche superiore. Utilizzando l'effetto di tunneling quantistico, il microscopio a tunneling a scansione effettua il tunneling degli elettroni dalla punta metallica affilata alla superficie del campione. Per mantenere una corrente stabile, la punta dell'ago si sposterà con l'altezza della superficie del campione, in modo da poter ottenere un'immagine della superficie del campione con una risoluzione di dimensione atomica.
laser gratuito
Il laser a elettroni liberi fa passare il raggio di elettroni relativistico attraverso una coppia di ondulatori. Ogni ondulatore è composto da una fila di momenti di dipolo magnetico di un campo magnetico in direzioni alternate. A causa dell'azione di questi campi magnetici, gli elettroni emettono radiazione di sincrotrone; e questa radiazione interagisce con gli elettroni in modo coerente. Quando la frequenza corrisponde alla frequenza di risonanza, causerà una forte amplificazione del campo di radiazione. I laser a elettroni liberi possono emettere radiazioni elettromagnetiche coerenti ad alta emissività e la gamma di frequenze è piuttosto ampia, dalle microonde ai raggi X molli. Nel prossimo futuro, questo strumento potrà essere utilizzato nella produzione, nelle comunicazioni e in varie applicazioni mediche, come la chirurgia dei tessuti molli.