Kémia

Az elektron

Az elektron


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Történelmi katódsugárcsövek

A következő két képen történelmi katódsugárcsövek láthatók:

1. ábra
Fénykép egy történelmi katódsugárcsőről

2. ábra
Történelmi katódsugárcső rajza

Elektron

Hogy elektron (görög "borostyán") e - a legkönnyebb elektromosan töltött stabil elemi részecske. Az antirészecskéje az pozitron e +.

Az elektron maradék tömege (Elektron tömeg) értéke (m_ text e = 9,109 cdot 10 ^ <-31> , szöveg), ez megfelel a Pihenő energia 511 keV. A (negatív) elektromos töltés pontosan egy elemi töltés, azaz (e = 1,602 cdot 10 ^ <-19> , szöveg). A spin vagy kvantummechanikai impulzusimpulzus 1/2, tehát az elektron fermion. A leptonok közé is számítják, mint az szín semleges az, d. H. nem „érzi” az erős interakciót.

Az elektronok az atom negatív töltéshordozói. A kvantummechanikai bizonytalanság miatt kiterjedt töltésfelhőket képeznek a pozitív töltésű atommag körül. Az elektromos áram legtöbb formájával, különösen az fém cső, az elektronok jelentik a töltéshordozókat.

Az elektron 10-18 m mérési pontosságig nem tágul. A klasszikus felfogás szerint azonban hozzá lehet rendelni egy sugarat, a klasszikus elektronsugár. Ezáltal beállítjuk az elektrosztatikus energiát, egy sugarú gömbfelületre r Az elosztott elemi töltés az elektron relativisztikus nyugalmi energiájával rendelkezik:

Mellesleg: Az az elképzelés, hogy az elektron pontosan pont alakú, azaz nincs tágulása, fizikailag nagyon problematikus - akkor az elektromos energia sűrűsége és az elektromos térerősség ezen a ponton végtelenül nagy lenne!


Az elektron felfedezésének története

A legkisebb, oszthatatlan mennyiségű elektromos töltés fogalmát a 19. század közepe táján számos alkalommal javasolták, többek között Richard Laming, Wilhelm Weber és Hermann von Helmholtz. & # 9112 & # 93

1874-ben George Johnstone Stoney felvetette az atomokhoz kapcsolódó elektromos töltéshordozók létezését. Az elektrolízis alapján megbecsülte az elektrontöltés nagyságát, de körülbelül húszszorosan alacsony értéket kapott. & # 9113 & # 93 A British Association belfasti ülésén azt javasolta, hogy az elemi töltést, mint egy másik alapvető természetes állandót, a gravitációs állandóval és a fénysebességgel együtt használják a fizikai mérési rendszerek alapjaként. & # 9114 & # 93 & # 9115 & # 93 Stoney Helmholtzcal együtt találta ki a nevet elektron az "elektromos atomnak". & # 9116 & # 93

Emil Wiechert 1897-ben megállapította, hogy a katódsugárzás negatív töltésű részecskékből áll, amelyek sokkal könnyebbek, mint egy atom, de aztán leállította ezzel kapcsolatos kutatásait. Ugyanebben az évben Joseph John Thomson meghatározta a részecskék tömegét (először így hivatkozott rájuk). vértestek) pontosabban, és be tudta bizonyítani, hogy mindig ugyanazok a részecskék vesznek részt, függetlenül a katód anyagától és a katódsugárcsőben lévő maradék gáztól. & # 9117 & # 93 Ez idő alatt a Zeeman-effektust használták annak bizonyítására, hogy ezek a részecskék az atomban is előfordulnak, és ott fénykibocsátást okoznak. Az elektront így elemi részecskeként azonosították.

Az elemi töltést 1909-ben mérte meg Robert Millikan.


A szabad elektron a fizikában és a technológiában

Szerzői: Törtek, E., Ewest, H., Frerichs, R., Gerlach, W., Üvegesek, A., Kossel, W., Ramsauer, C., Rothe, H., Rukop, H., Ruska, E., Schottky, W., Steenbeck, M.

Szerkesztő: céhmester, M., Goldschmidt, R., Neuberg C. Parnas, J. Ruhland, W. (Szerk.)

Vásárolja meg ezt a könyvet

  • ISBN 978-3-642-47420-0
  • Digitálisan vízjeles, DRM-mentes
  • Elérhető formátumok: PDF
  • Az e-könyvek minden végeszközön használhatók
  • Azonnali e-könyv letöltés a vásárlás után
  • ISBN 978-3-642-47139-1
  • Ingyenes kiszállítás egyéni ügyfelek számára világszerte
  • Intézményi ügyfeleink kérjük, forduljanak számlavezetőjükhöz
  • Általában 3-5 munkanapon belül szállítjuk, ha van raktáron

Ez a könyvcím a Springer Könyvarchívum digitalizálási projektjének része a kiadó 1842-es kezdete óta megjelent kiadványokkal. Ezzel az archívummal a kiadó forrást ad mind a történeti, mind a diszciplináris kutatásokhoz, amelyeket történeti összefüggésben kell szemlélni. Ez a cím 1945 előtt jelent meg, ezért a kiadó a korra jellemző politikai és ideológiai irányultsága miatt nem hirdeti.


Részecskefizika: A rejtélyes elektron

Betöltés.

Mi az elektron Ez a kérdés központi szerepet játszott a kvantumelmélet fejlődésében a 20. század elején, és még ma is korlátok közé szorítja a fizikát. Számos összeegyeztethetetlen válasz létezik, amelyek mindegyike helyesnek tűnik. Még egy évszázaddal azután is, hogy Niels Bohr dán fizikus az elektront a proton műholdjaként képzelte el [1], az elektronról alkotott képünk még mindig fejlődik és tágul.

1927-ben Bohr megadta a választ a kérdésre, és ezzel együtt szeretett komplementaritás-koncepcióját is: Bizonyos körülmények között az elektronok részecskékként írhatók le, amelyek helye tiszta, míg mások hullámokként írhatók le tiszta lendülettel [2]. Mindkét reprezentáció érvényes és értelmes, még akkor is, ha a Heisenberg-féle bizonytalansági elv szerint kölcsönösen kizárják egymást: a hely és a momentum nem ismerhető meg pontosan egyszerre. Mindegyik kép csak az elektron bizonyos tulajdonságait rögzíti, de egyik sem jellemzi teljesen.

Betöltés.

Ezt a cikket a Spectrum & # 8211 Die Woche 25 KW 2013 tartalmazza.

A modern kvantumelmélet megerősíti Bohr azon elképzelését, hogy az, amit látsz, attól függ, hogyan nézed. Az elektronok egyszerre hihetetlenül egyszerűek és hihetetlenül összetettek. Az utolsó részletig megértik őket, és mégis titokzatosak maradnak. Az elektronok szilárd alapot képeznek a fizikusok világképében, és egyben egyfajta játékszert is képviselnek, amelyet szét akarnak osztani és manipulálni szeretnének.

Egyszerű és összetett

A legtöbb gyakorlati alkalmazásban az elektron szerkezet nélküli részecskeként jelenik meg belső impulzusimpulzussal vagy spinnel. Csupán két szám és # 8211 az elektron tömege és elektromos töltése & # 8211 elegendő a viselkedésének matematikai egyenletek segítségével történő leírásához. E „gyakorlati elektronmodell” alapján a fizikusok kifejlesztették a modern mikroelektronikát. Ez képezi a kémia, ezen belül a biokémia munkaalapját is. De egy nagy energiájú pozitron (anti-elektron) számára az elektron sokkal sokrétűbbnek tűnik. Az elektronok és pozitronok ütközései, ahogyan a CERN-ben található Nagy Elektron-Pozitronütköztetőben (LEP) történtek, kvarkok, gluonok, müonok, tau-leptonok, fotonok és neutrínók özönét idézik elő. Ahhoz, hogy megértsük egy elektron összetettségét, a modern fizika minden módszerét alkalmazni kell, bármilyen egzotikus is legyen.

E két megfigyelés és # 8211 között az elektron egyszerű pontrészecskeként jelenik meg, másrészt pedig látszólag az egész világot tartalmazza és # 8211 között hatalmas konfliktus van. Az általam kvantumcenzúrának nevezett koncepción keresztül azonban a két nézet összeegyeztethető: Az objektumok tulajdonságai attól függően változnak, hogy milyen energiával vizsgáljuk őket. Ez a kvantumcenzúra már Bohr atommodelljében is benne volt, és általános formában a modern kvantumelmélet központi pillérét képezi.

A hidrogénatomról 1913-ban publikált modelljében [1] Bohr úgy képzelte, hogy az elektron úgy kering a proton körül, mint egy apró bolygó a Nap körül. De az atom ilyen mechanikai modelljeivel komoly problémák vannak, amint arra James Clerk Maxwell fizikus is rámutatott, és ezzel Bohr is tisztában volt. A hidrogénatomok sokaságát jósolják, különböző formájú és méretű pályával, holott a valóságban minden hidrogénatom azonos. A modellek instabil atomokat is termelnek. A mozgó elektronoknak energiát kellene kibocsátaniuk, és így spirális pályákon közelíteniük kell a központi protont. De nyilvánvalóan nem ezt teszik.

Bohr ezeket a nehézségeket néhány merész feltételezéssel hárította az útból. Az instabilitás elkerülése érdekében az elektronokat az atomon belül számos diszkrét vagy kvantált energiaállapotra korlátozta. Rájött, hogy a legalacsonyabb energiájú szint vagy az alapállapot véges méretű, és az elektront és a protont egymástól távol tartja. Ma Bohr posztulátumait arra vezetjük vissza, hogy az elektronok helyes kvantummechanikai leírása az állóhullámok oszcillációs mintázatait leíró hullámfüggvényeken alapul. Az atomokban lévő elektronok egyenletei hasonlóak a különböző hangokat kiváltó hangszerek rezgéseire vonatkozó egyenletekhez.

Ugyanezek az ötletek alkalmazhatók összetett, kötött rendszerekre is, például sok elektronból és nagyobb atommagból álló atomokra. Ha csak egy kis energiát táplálunk be, akkor egy rendszer az alapállapotában is ott marad & # 8211, és nem árul el semmilyen információt a belső szerkezetéről. Csak akkor derül ki összetettsége, ha magasabb állapotba kerül. Ez a kvantumcenzúra lényege. Ezért egy bizonyos energiaküszöb alatt az atomok „kemény, masszív, áthatolhatatlan” részecskéknek tűnnek, amelyeket egykor Isaac Newton feltételezett. Ennek segítségével szétválaszthatók az összetevői.

Hasonlóképpen, az elektronok sem árulnak el semmit az alacsony energiájú belső működésükről, annak ellenére, hogy sokrétűek a LEP-gyorsítóban. Az elektron szerkezete csak akkor derül ki, ha elegendő energiát biztosítanak az elektron-pozitron párok létrehozásához, ami legalább egy megaelektron volt, ami megfelel a 10 10 Kelvin föld feletti hőmérsékletnek. A konkrét elektron tehát nem puszta közelítés a valósághoz, a bizonytalanság szokásos értelmében, hanem egy pontos leírás, amely korlátozott (bár meglehetősen nagyvonalú) feltételek mellett alkalmazható.

Betöltés.

Most, hogy láttuk fontosságát, értékelnünk kell a konkrét elektron intellektuális pompáját. Mindegyik tulajdonsága szorosan összefonódik a fizikai törvények mély szimmetriájával: a részecske tömege és spinje a speciális relativitáselmélettel, az elektromos töltés pedig az elektromágnesesség "mérőszimmetriájával". A konkrét elektron viselkedése szimmetriaműveletek alatt meghatározza fizikai viselkedését. Az elektron tehát a szimmetria megtestesítője: fizikai tulajdonságai elválaszthatatlanul összefüggenek matematikai formájával.

Precíz és titokzatos

Elvileg az elektronok rendelkezhetnek mágneses és elektromos dipól mezővel is, amelyek tengelyét az elektron spinje határozza meg. De ezeknek a mezőknek a státusza aligha lehetne ettől eltérő. A mágneses tér erőssége kínálja talán a legpontosabb és egyedülállóan sikeres egyensúlyt az elmélet és a kísérlet között az egész természettudományban, miközben az elektromos tér nagyságát soha nem mérték. Még a teoretikusokat is megzavarja.

A 20. században a fizika központi tárgya volt az & # 8211 elektron mágneses térerősségének észlelése giromágneses arány vagy "g-tényező" és # 8211 formájában. Az elektronok relativisztikus hullámegyenlete, amelyet Paul Dirac fizikus 1928-ban [3] fogalmazott meg, aratta első sikerét. Ennek megfelelően g-nek 2-nek kell lennie, ami megegyezett az atomspektroszkópia eredményeivel. A precíziós spektroszkópia a háború után tovább fejlődött, és atomsugarak segítségével kimutatták, hogy g ettől az értéktől ezredrészével tér el. A teoretikusok csak azután tudták megmagyarázni ezt a különbséget, hogy kellőképpen elsajátították a kvantumtérelmélet matematikai nehézségeit, és ki tudták számítani a Dirac-egyenlet korrekcióit a kvantumingadozások figyelembevétele érdekében.

A kísérlet és az elmélet közötti kreatív párbeszéd ma is folytatódik, a mindkét oldalon megnövekedett pontosság még alaposabb összehasonlításokat tesz lehetővé. A kísérleti határ az egyes elektronok nagy tanulmányozására tolódott el elektromos és mágneses csapdákban. Az elméleti számítások egyre bonyolultabbá válnak, és közben a fluktuációk fluktuációit is magukba foglalják. A g értéke tizenkét jelentős számjegyből áll [4].

Egy éretlen, de vonzó "magyarázat" az elektronban lévő mágneses tér eredetére az lehet, hogy a helyhez kapcsolódó kvantumbizonytalanság elkeni az elektron töltését egy olyan térfogaton, amely az elektron spinje miatt forog. Az elektron úgymond egy forgó, töltött golyó, és ez az elektromágnesesség alapszabályai szerint mágneses dipólusteret hoz létre. A fizikusok becslése szerint ennek a gömbnek a mérete körülbelül 2,4 x 10-12 méter. Bármilyen kísérlet egy elektron helyzetének ennél pontosabb meghatározására a bizonytalansági elv szerint annyi energiát igényelne, hogy további elektronok és antielektronok jönnek létre, amelyek elfedik az eredeti elektron azonosságát.

Egy elektromos dipólus, ha létezne, nagyjából hasonló korrekciókat eredményezne. De ez a terület eddig felfedezetlen maradt. A fizikusok sok erőfeszítést tettek a kísérleti keresésbe, és minden olyan trükköt és csapdát bevetettek, amelyek annak idején felfedezték a mágneses momentumot. Az elektromos dipólusmomentumnak egyelőre csak felső határa van [5]. Ez jóval 17 nagyságrenddel kisebb a vártnál, és # 8211 ártalmatlan, tekintettel az elektron effektív méretére.


Elektronelrendezés

A Bohr-Sommerfeld atommodell elegendő a periódusos rendszer szerkezetének illusztrálására és megértésére. Az elektronhéj elektronokból áll, amelyek az atommag körül keringenek: körpályák és merülési utak (elliptikus pályák). Az atomban minden egyes elektronnak van egy bizonyos energiája. A 4 kvantumszám az elektron állapotának leírására szolgál.

Azt a teret, amelyben egy elektron nagyrészt & # 8222 & # 8220 van, orbitálisnak nevezzük. Minden pályán 2 elektron számára van hely.

n főkvantumszám
Ez jelzi az elektronhéjat és a fő energiaállapotokat.
n = 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 vagy K, L, M, N, O, P, Q
Egy n elektronhéjban legfeljebb 2n 2 elektron található.
Ebből következik: K-héj 2 elektronnal, L-héj 8 elektronnal, M-héj 18 elektronnal és # 8230.

Kiskvantumszám l
Ez az n héjon belüli különböző elliptikus pályák excentricitását jelöli, vagyis azt, hogy mennyire van összenyomva az ellipszis.
n különböző webes űrlapok lehetségesek
l = 0,1, & # 8230 .. (n-1) vagy s (éles = éles) l = 0 = s-pálya
p (fő = főként) l = 1 = p pályák
d (diffúz = elterjedt) l = 2 = d pályák
f (alapvető = lényeges) l = 3 = f pályák
l = 0: a legnagyobb körpálya, l = n-1: a legnagyobb excentricitású pálya
A nevek a spektroszkópiából származnak.

Mágneses kvantumszám
Meghatározza az út alakjának térbeli tájolását külső mágneses mező alkalmazásakor.
m = egész számok -l-től l-ig
ha l = 3: -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3, ez azt jelenti, hogy l = 3 esetén összesen 7 pálya van, van a 7 f-pálya

Spin s kvantumszám
A forgásirányt, az elektron spinjét jelzi külső erőtér alkalmazásakor.
s = + ½, -½
Két különböző spin-kvantumszámú elektron tartózkodhat egy pályán.

Ezzel a 4 kvantumszámmal pontosan leírhatóak az atomban lévő elektronok. Pauli elv


Elektromos erő

Az elektromos vezetőkben az áramok az atomok elektronjai, amelyek egyenként keringenek egyik atomról a másikra az elektromos vezető negatív pólusa és pozitív pólusa irányában. Ezt nevezzük elektromos energiának vagy elektromosságnak.

Bár általában az atomok részei, vannak elektronok, amelyek vákuumban sugarakat képeznek, vagy függetlenül mozognak az anyagon.

A félvezető anyagokban ezen részszemcsék mozgása elektromos áramot is generál.


Neutrino és antineutrínó reakciók

Minden neutrínó reakció a gyenge kölcsönhatáson keresztül megy végbe. A neutrínók is ki vannak téve a gravitációnak, de ez annyira gyenge, hogy gyakorlatilag nincs értelme. A neutrínó reakciók, mint minden gyenge nukleáris erőreakció, három kategóriába sorolhatók:

  • Elasztikus diszperzió: A neutrínó energiát és lendületet cserél a hozzá tartozó leptonnal. A reakciópartnerek egyébként változatlanok maradnak, vagyis nem történik teljes átalakulás más elemi részecskévé.
  • Feltöltött folyam: Egy elemi részecske egy elektromosan töltött W-bozonon keresztül kapcsolódik a neutrínóhoz. Itt az érintett részecskék másokká alakulnak át. A cserebozon a reakciótól függően pozitív vagy negatív töltésű, hogy biztosítsa a töltés megtartását. Szigorúan véve a rugalmas szórás is ebből a kategóriából való reakció, mert ott is W-bozon cseréje megy végbe. Mivel azonban a részecskék ugyanazok az elején és a végén, általában egyszerűen klasszikus szórásként írhatók le.
  • Semleges elektromosság: Egy elemi részecske egy elektromosan semleges Z-bozonon keresztül kapcsolódik a neutrínóhoz. Az érintett részecskék is átalakulnak másokká, de a cserebozon nem töltődik fel.

Generatív reakciók

A legegyszerűbb reakciók, amelyekben a neutrínók részt vesznek, a radioaktív béta-bomlás. Az instabil magokban spontán módon fordulnak elő, és nem igényelnek gerjesztést más részecskékből.

A β - bomlás (béta-mínusz bomlás) során a neutron protonná alakul, elektront és elektron antineutrínót hozva létre. Kvantum szinten a neutron két lefelé kvarkja közül az egyik kibocsátja a W - köztes vektorbozont, ezáltal felfelé kvarkká alakul. A kibocsátott W-bozon végül elektronná és elektron antineutrínóvá bomlik. Tehát ez a „töltött áram”. Ez a bomlás például szabad neutronoknál, de olyan atommagoknál is előfordul, amelyekben nagy a neutronfelesleg.

Ezzel szemben a β + bomlás (béta plusz bomlás) során egy proton neutronná alakul, és amikor a keletkező W + bozon bomlik, egy pozitront és egy elektronneutrínót bocsát ki. A folyamat akkor következik be, ha a magban túl sok proton van. Mivel a reakciótermékek nehezebbek, mint az eredeti proton, a tömegkülönbséget az atommag kötési energiájával kell alkalmazni.

A neutrínók fontos forrásai a kozmikus magfúziós folyamatok is, például a napon. Az egyik példa a proton/proton reakció, amely különösen fontos a kis csillagok számára. Két hidrogénatom extrém magas hőmérsékleten egyesül egy deutériummagot képezve, amely során egy pozitron és egy elektronneutrínó szabadul fel egy proton neutronná történő átalakulásával.

Kvantum szinten a reakció ekvivalens a β + bomlással. Mivel másodpercenként hatalmas számú fúzió megy végbe a napon, és ennek következtében hatalmas számú neutrínó szabadul fel, a proton/proton reakció nagyobb jelentőséggel bír a neutrínókutatásban. A Napban és a nehezebb csillagokban egy másik fúziós folyamatban, a Bethe-Weizsäcker ciklusban is keletkeznek elektronneutrínók. Az úgynevezett szoláris neutrínók megfigyelése azért fontos, hogy megértsük a nap belsejében zajló folyamatokat és a fizika alapvető kölcsönhatásait.


Elektronok szilárd testekben - szalagos modell

Most sok atom egyesül így egyben Szilárd test Ebben az esetben megfelelő számú molekulapálya képződik. Minden molekulapályának megvan a maga specifikus energiaértéke. Mivel ezek az energiaértékek mind egy korlátozott tartományon belül vannak az eredeti atompálya energiája körül, intervallumuk nagyon kicsi - olyan kicsi, hogy az energiaértékek gyakorlatilag folyamatosak. Ez azt jelenti, hogy az egyes molekuláris pályák eggyé válnak Energia sáv kenet.
A teljes kristályra kiterjedő energiaállapotok & ldquoBand & ldquo kifejezés tehát semmi köze a térbeli alakzathoz, hanem a (majdnem) folytonos energiaértékekre vonatkozik - nem egy & ldquoBand & ldquo-ról van szó, amely beburkolja magát. a kristályon keresztül. Az energiasáv bizonyos mértékig minden atomot beborít.

A sávok között azonban továbbra is lehetnek energiahézagok, amelyeket nem lehet betölteni.

Mivel egy sávon belül az egyes energiaszintek közötti hézagok nagyon kicsik, az elektronok könnyen átugorhatnak egyik szintről a másikra. De még a sávban sem lehet két elektron pontosan azonos energiájú. Tehát ha egy sávban minden energiaállapot le van foglalva, az elektronok nem tudnak "hallani" elhagyni az állapotot - hacsak nem hagyják el a sávot és nem ugranak át egy másik sávba. Az, hogy ez lehetséges-e, attól függ, mekkora az energiakülönbség a következő magasabb sávhoz képest. Mivel a kristályban az energiasávok az atomban a pályák helyét foglalják el, ezért ezeken keresztül ún Energia rés egymástól elválasztva - összemérhető az atomban lévő pályák közötti energetikai távolságokkal. Ezekben az energiarésekben nincsenek energiaszintek – ahogy az atomok pályái között az elektronok számára sincsenek lehetséges energiaszintek.
Az energiarések mérete és a sávok elfoglalása az, ami megkülönbözteti egymástól a fémeket, szigetelőket és félvezetőket. nál nél Fémek az (energetikailag tekintett) legmagasabb sáv, amely még elektronokat tartalmaz, nincs teljesen kitöltve - az elektronok még mindig találnak szabad energiaszinteket ezen a sávon belül, és mozoghatnak a sávban és áramot szállíthatnak.
Az elektronok által elfoglalt legfelső sávot vegyértéksávnak nevezzük, azt, amelyikben a vezetés lehetséges, mert vannak még szabad terek, vezetési sávnak. Fémek esetében tehát a legfelső sáv egyben a vegyérték- és a vezetési sáv. Általában a vezetési sávról beszélünk.
Az energiaállapot megváltoztatása a sebesség megváltoztatását jelenti. Ha egy fémre elektromos feszültséget kapcsolunk, az magasabb energiaszintre emelve tudja energiával ellátni az elektronokat - vagy klasszikus módon: mozgásba hozva.
nál nél Elszigetelők (mint a gyémánt) a legmagasabb elektronokat tartalmazó sáv teljesen kitöltött - az elektronok nem találnak szabad energiaszinteket a sávban, ezért mozdulatlanok. (Ezt a szalagot úgy hívják Valence zenekar.) Ahhoz, hogy mozgásba lendítsék őket, annyi energiát kellene kapniuk, hogy elérjék a következő legmagasabb üres sávot. (Ez a vezetési sáv.) A vegyérték és a vezetési sáv közötti energiarés túl nagy, és a feszültségforrásból érkező elektromos energia nem elegendő ahhoz, hogy az elektronokat a vezetési sávba emelje. Ezért nem áramolhat áram.
nál nél Félvezetők (a szilíciumhoz hasonlóan) a vegyértéksáv is teljesen kitöltött, de náluk olyan kicsi az energiarés a vezetési sávhoz, hogy könnyen el lehet látni a vegyértéksávban lévő elektronokat azzal az energiával, amely a vezetési sávba emeli őket. Néhány elektron még szobahőmérsékleten is a vegyértéksávból a vezetési sávba mozog.


Az elektron a mérlegen

09.02.2014
Max Planck Fizikai Intézet, Heidelberg

Az elektronok világunk kvantumcementjei. Elektronok nélkül nem létezne kémia, és a fény nem tudna kölcsönhatásba lépni az anyaggal. Ha az elektronok csak egy kicsit nehezebbek vagy könnyebbek lennének, mint amilyenek, a világ gyökeresen másképp nézne ki. De hogyan lehet lemérni egy olyan apró részecskét, amely eddig pont alakúnak számított? Ezt a bravúrt a heidelbergi Max Planck Nukleáris Fizikai Intézet fizikusainak együttműködésével sikerült megvalósítani. Az eddig ismertnél 13-szor pontosabban „mérte le” az elektron tömegét. Mivel az elektrontömeget alapvető természetes állandók tartalmazzák, ez fontos az alapvető fizika szempontjából.

„Általában tíz-húsz évig kell kutatni a precíziós fizikát ahhoz, hogy egy alapértéket egy nagyságrenddel javítsunk” – mondja Klaus Blaum. A heidelbergi Max Planck Nukleáris Fizikai Intézet igazgatója örömmel számol be arról a „hatalmas reakcióról”, amelyet a legújabb eredmény vált ki a tudományos konferenciákon. A heidelbergi csapat által vezetett kutatási együttműködésnek néhány év alatt sikerült 13-szorosára pontosabban meghatározni egy elektron tömegének értékét. Sven Sturm projektmenedzser szemlélteti az erre a célra használt „mérlegek” rendkívül nagy érzékenységét: „Airbus A-380-asra átalakítva pusztán mérlegelve meg tudtuk állapítani, hogy szúnyog tartózkodott-e a fedélzeten utasként.”

Fontos, hogy a fizikusok ma már pontosan tudják az elektron tömegét tizenegy pontossággal a tizedesvessző mögött, mert gyakorlatilag mindenhol részt vesznek az elektronok. Még ennek a szövegnek az elolvasásához is a szem elektronjainak kell a fényt idegimpulzusokká alakítaniuk. Óriási hatalmat képviselnek a természetben ezek a mai ismeretek szerint mérettelen ultraapró részecskék, amelyek tömegével többek között az alapvető természeti állandók értéke is összefügg. Ide tartozik például az úgynevezett finomszerkezeti állandó: Ez az állandó határozza meg az atomok és molekulák alakját és tulajdonságait. „Alapvetően mindent leír, amit látunk – mondja Blaum –, mivel központi szerepet játszik a fény és az anyag közötti kölcsönhatásban.” Ha a természet egy kicsit más tömeget adott volna az elektronoknak, az atomok teljesen másképp néznének ki. Nagyon furcsa lenne egy ilyen világ.

Az elektront szénmaggal mérjük

Az elektron tömege is kulcsváltozóként szerepel a fizika úgynevezett standard modelljében. Ez a modell a ma ismert négy fizikai alaperő közül hármat ír le. Annak ellenére, hogy lenyűgözően jól működik, ma is világos, hogy érvényessége korlátozott. Nem világos azonban, hogy hol húzódnak a Standard Modell határai. Az elektrontömeg pontos ismerete tehát döntő segítséget jelenthet a korábban ismeretlen fizikai összefüggések felkutatásában.

Az elektron rendkívül kis tömegének meghatározására a Klaus Blaummal és Sven Sturmmal dolgozó fizikusok kifinomult kísérletet hajtottak végre. Prof. Günter Werth munkacsoportja által a Mainzi Egyetem Fizikai Intézetében elindított projekt továbbfejlesztése. "Ha reggel rálép a mérlegre, a régi mechanikus modellekkel rugózik" - magyarázza Blaum. A gerenda mérlegek referenciaként ellensúllyal rendelkeznek. Az elektron esetében a fizikusok azzal a problémával szembesültek, hogy minden referenciasúlyként hasznosítható elemi részecske sokkal nehezebb. „A proton vagy a neutron például kétezerszer nehezebb – magyarázza Blaum –, ez olyan lenne, mintha egy nyulat lemérnénk egy elefánttal ellensúlyként.” Kísérletükben a fizikusok ezért egy trükk mellett döntöttek. Bár két rendkívül egyenlőtlen tömeget hoztak össze, még csak meg sem kísérelték megmérni a nyúl elektront közvetlenül egy atomelefánt segítségével.

„A fő kihívás a mérési módszer fejlesztése volt” – mondja Sven Sturm. Posztdoktoriként vezeti azt a csapatot, amely az elektrontömeg pontos mérését végezte. A fizikusok egyetlen elektront párosítottak a sokkal nehezebb szén (C) -12 izotóp csupasz magjával. Ezt a szénizotópot gondosan választották ki, mert ez határozza meg az úgynevezett atomtömeg-egységet. Így definíció szerint a C-12 pontos tömege ismert, és referenciaként való felhasználása egy fontos hibaforrást kiküszöböl. „A szisztematikus hibák ellenőrzése nagyon fontos” – hangsúlyozza Sturm.

A szén-ion egy Penning-csapdában teljesíti a versenypályát

A C-12 atommag egyetlen elektronnal történő előkészítéséhez a fizikusok a hat elektron közül ötöt kilőttek a szénatomtól. A megmaradt ötszörösen töltött széniont - az egyetlen elektronos szénatommagot - egy leegyszerűsítve kör alakúnak is elképzelhető versenypályára küldték. Egy úgynevezett Penning-csapda rendkívül egyenletes mágneses mezőjével erre a körpályára kényszeríti a széniont.

„A precíziós mérésekkel mindig arra törekszünk, hogy a mért változót pontosan megszámlálhatóvá tegyük” – magyarázza Blaum a hátsó szándékot: „Egy pályán egy Forma-1-es versenyen a nézők meg tudják számolni, hogy egy versenyautó milyen gyakran száguld el mellette, és felhasználhatja a pálya hosszát. hogy megszámolja őket. Becsülje meg a sebességet.” Hasonló módon működik a Penning-csapdában is, amely esetben a fizikusok a teljes ciklusok legkisebb töredékeit is meg tudták mérni.

A második lépésben, amelyre most az elektrontömeg meghatározásához volt szükség, a kvantummechanika segít. Az elektronoknak van egy „pörgésük”, és ez apró mágnessé teszi őket. A Penning-csapda erős mágneses mezőjében ez a pörgés precessziós mozgást végez, mint egy apró felső. Ez rendkívül gyors, de a fizikusok trükkökkel pontosan meg tudták rögzíteni. A döntő tényező itt a következő: A csapdában lévő szénion keringési frekvenciája és az elektronprecesszió ingadozási frekvenciája pontos összefüggésben van. Ily módon, mint egy fogaskerék, a kvantummechanika szilárdan összekapcsolja a szénion tömegét az elektron tömegével, amely azután mérhető.

Csak egy elméleti hozzájárulás tette lehetővé az elektrontömeg mérését

Ebben a fogaskerekes szerelvényben azonban volt egy nem túl ismert "fogaskerekű". In der Physik ist es als g-Faktor oder gyromagnetischer Faktor bekannt. „Hier war die enge Zusammenarbeit mit Christoph Keitels Theorieabteilung an unserem Institut entscheidend“, erklärt Blaum. Basierend auf vorangegangenen Ergebnissen derselben Kollaboration konnten die Heidelberger Theoretiker um Jacek Zatorski den g-Faktor genauer als je zuvor berechnen und damit die bis dato höchste Präzision bei der Bestimmung der Elektronenmasse erreichen.

Solche Präzisionsexperimente profitieren von Kooperationen mit Wissenschaftlern, die unterschiedliche Expertise einbringen. Physiker vom GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt und der Johannes Gutenberg-Universität Mainz lieferten wichtige Beiträge. Das Ergebnis ist eine ungeheuer präzise Zahl: Das Elektron wiegt demnach ein 1836,15267377stel der Protonenmasse. Will man seine Masse in Kilogramm umrechnen, kommt man auf unvorstellbare knapp 10-30 Kilogramm, also dreißig Nullen hinter dem Komma. Das Elektron ist wahrlich ein Leichtgewicht und spielt doch eine schwergewichtige Rolle in der Natur.

(RW/PH/BF)
Max-Planck-Institut für Physik, Heidelberg

Veröffentlichung
Sven Sturm, Florian Köhler, Jacek Zatorski, Anke Wagner, Zoltán Harman, Günter Werth, Wolfgang Quint, Christoph H. Keitel und Klaus Blaum
"High-precision measurement of the atomic mass of the electron"
Nature, 20. Februar 2014
doi: 10.1038/nature1302601


Elektron

Das Elektron [ ˈeːlɛktrɔn, eˈlɛk-, elɛkˈtroːn ] (von altgriechisch ἤλεκτρον élektron ‚ Bernstein‘, an dem Elektrizität zum ersten Mal beobachtet wurde 1874 von Stoney und Helmholtz geprägt Η] ) ist ein negativ geladenes Elementarteilchen. Sein Symbol ist e − . Die alternative Bezeichnung Negatron wird kaum noch verwendet und ist allenfalls in der Beta-Spektroskopie gebräuchlich.

Die in einem Atom oder Ion gebundenen Elektronen bilden dessen Elektronenhülle. Die gesamte Chemie beruht im Wesentlichen auf den Eigenschaften und Wechselwirkungen dieser gebundenen Elektronen. In Metallen ist ein Teil der Elektronen frei beweglich und bewirkt die hohe elektrische Leitfähigkeit metallischer Leiter. Dies ist die Grundlage der Elektrotechnik. In Halbleitern ist die Zahl der beweglichen Elektronen und damit die elektrische Leitfähigkeit leicht zu beeinflussen, sowohl durch die Herstellung des Materials als auch später durch äußere Einflüsse wie Temperatur, elektrische Spannung, Lichteinfall etc. Dies ist die Grundlage der Elektronik. Aus jedem Material können bei starker Erhitzung oder durch Anlegen eines starken elektrischen Feldes Elektronen austreten (Glühemission, Feldemission). Als freie Elektronen können sie dann im Vakuum durch weitere Beschleunigung und Fokussierung zu einem Elektronenstrahl geformt werden. Dies hat die Entwicklung des Oszilloskops, des Fernsehers und des Computermonitors ermöglicht. Weitere Anwendungen freier Elektronen sind z. B. die Röntgenröhre, das Elektronenmikroskop, das Elektronenstrahlschweißen, physikalische Grundlagenforschung mittels Teilchenbeschleunigern und die Erzeugung von Synchrotronstrahlung für Forschungs- und technische Zwecke.

Beim Beta-Minus-Zerfall eines Atomkerns wird ein Elektron neu erzeugt und ausgesandt.

Der experimentelle Nachweis des Elektrons gelang erstmals Emil Wiechert ⎖] im Jahre 1897 und wenig später Joseph John Thomson. ⎗]


Video: İşsiz şəxslərin elektron qaydada portalına qeydiyyatı. Kanala abune olun (Július 2022).


Hozzászólások:

  1. Geoffrey

    Ez a jó ötlet. Készen áll arra, hogy támogassa Önt.

  2. Grohn

    Úgy gondolom, hogy nem igazad van. Biztos vagyok benne. Bizonyíthatom. Írj nekem a miniszterelnökbe, megbeszéljük.

  3. Lean

    Tudod milyen ünnep van ma?

  4. Viljo

    Szerintem tévedsz. Írj nekem PM-ben.



Írj egy üzenetet