Электрон — частица с отрицательным зарядом¶

Электрон — элементарная частица, носитель элементарного отрицательного электрического заряда, входящая в состав атомов. Относится к классу лептонов, обозначается символом e⁻, величина заряда составляет −1,602176634·10⁻¹⁹ Кл (точное значение по системе СИ с 2019 года). Масса покоя электрона равна 9,1093837015·10⁻³¹ кг, что примерно в 1836,15 раз меньше массы протона. Электрон — один из трёх стабильных (нестабильных в современном понимании) элементарных частиц наряду с протоном и электронной нейтрино; в отличие от протона, он не имеет внутренней структуры и, по современным представлениям, является точечным объектом.

¶Открытие

Электрон был открыт в 1897 году британским физиком Джозефом Джоном Томсоном в ходе исследования катодных лучей. Томсон экспериментально определил отношение заряда к массе (удельный заряд) частицы, из которой состоят лучи, и показал, что это отношение на много порядков больше, чем у ионов водорода, что указывало на чрезвычайно малую массу носителя заряда. За это открытие Томсон в 1906 году получил Нобелевскую премию по физике.

Независимо от Томсона вклад в открытие внесли Эмиль Вихерт (1897) и Джордж Фицджеральд, а в 1899 году Дж. Дж. Томсон и Уильям Крукс ввели термин «электрон». В 1909 году Роберт Милликен в серии опытов с масляными каплями уточнил значение элементарного заряда, подтвердив квантовую природу электричества: заряд любой системы представляет собой целое число элементарных зарядов.

¶Свойства

Электрон относится к фермионам со спином 1/2 и подчиняется принципу Паули: два электрона не могут находиться в одном квантовом состоянии. Электрический заряд электрона в точности равен по модулю заряду протона, что обеспечивает электронейтральность атомов в обычном состоянии. Античастица электрона — позитрон — была открыта Карлом Андерсоном в 1932 году.

¶Электрон в атоме

В атоме электроны занимают дискретные энергетические уровни, описываемые квантовыми числами. Распределение электронов по оболочкам определяет химические свойства элементов: сродство к электрону, валентность, периодичность свойств. Согласно принципу Паули, на каждом уровне помещается ограниченное число электронов (2n², где n — главное квантовое число), а заполнение подуровней подчиняется правилу Клечковского.

Поведение внешних электронов описывается квантовой механикой: электрон в атоме не движется по определённой траектории, а описывается волновой функцией, квадрат модуля которой даёт вероятность обнаружения электрона в данной точке пространства. Электронные оболочки изучаются спектроскопией, рентгеноструктурным анализом и методами вычислительной химии.

¶Свободный электрон

Вне атома электрон называется свободным. Свободные электроны присутствуют в металлах (электронный газ), плазме, в электрических разрядах в газах. В металлах свободные электроны ответственны за электрическую и теплопроводность, а их поведение описывается моделью Друде — Зоммерфельда.

В вакуумных приборах — электронных лампах, кинескопах, электронных микроскопах — электроны ускоряются электрическим полем и фокусируются магнитными линзами. Электронный микроскоп, предложенный в 1931 году Максом Кнолем и Эрнстом Руской, использует волновые свойства электрона для получения изображений с разрешением на порядки лучшим, чем у оптических микроскопов.

¶Электронные явления

Ряд явлений в физике и технике основан на поведении электронов:

• Фотоэффект — выбивание электронов из вещества под действием света. Теория Эйнштейна (1905) объяснила явление квантовой гипотезой и принесла ему Нобелевскую премию 1921 года.
• Комптоновское рассеяние — упругое рассеяние фотонов на свободных электронах, открытое Артуром Комптоном в 1923 году.
• Сверхпроводимость — образование куперовских пар электронов при низких температурах, описанное теорией БКШ (Бардин — Купер — Шриффер, 1957 года).
• Туннельный эффект — прохождение электрона через потенциальный барьер, лежащий выше его энергии.

¶Электрон и физика элементарных частиц

Электрон относится к первому поколению лептонов. Его нейтрино — электронное нейтрино (νₑ) — было открыто в 1956 году. Электрон не участвует в сильном взаимодействии, что отличает его от кварков, входящих в состав адронов. Согласно стандартной модели, электрон — стабильная частица: его распад на нейтрино и фотон запрещён сохранением заряда, а более тяжёлые лептоны распадаются с образованием электрона.

¶Применение

Электроны используются в электронике (полупроводниковые приборы, интегральные схемы), сварке (электронно-лучевая сварка), литографии (электронно-лучевая литография), медицинской диагностике (рентгеновские трубки, где тормозное излучение возникает при торможении электронов о мишень), ускорителях частиц. В 2019 году переопределение системы СИ закрепило точное значение элементарного заряда, что сделало электрон эталоном электрического заряда.

¶История термина

Слово «электрон» происходит от греч. ἤλεκτρον — «янтарь», названия вещества, притягивающего мелкие предметы при трении. Термин был предложен ещё в XIX веке для обозначения единицы электрического заряда, а после открытия Томсона закрепился за самой частицей.