Электрон — элементарная частица¶

Электрон — элементарная частица с отрицательным элементарным электрическим зарядом и небольшой массой, входящая в состав атомов и образующая электрические токи в проводниках. Электрон относится к классу лептонов, обозначается символом e⁻, его заряд равен −1,602176634·10⁻¹⁹ Кл, а масса покоя — 9,1093837015·10⁻³¹ кг (примерно 1/1836 массы протона). Электрон — один из трёх стабильных (нестрожащихся) лептонов наряду с электронным нейтрино и мюоном, хотя мюон нестабилен, поэтому стабильными считаются электрон и электронное нейтрино.

¶Открытие

Электрон был открыт в 1897 году британским физиком Джозефом Джоном Томсоном в ходе исследования катодных лучей. Томсон экспериментально показал, что катодные лучи состоят из заряженных частиц с очень малой массой по сравнению с атомом водорода, и определил их отношение заряда к массе. В 1909 году Роберт Милликен провёл известный «масляный эксперимент», измерив заряд электрона с высокой точностью и подтвердив, что он квантован. За открытие электрона Томсон получил Нобелевскую премию по физике в 1906 году, Милликен — в 1923 году.

¶Свойства

Электрон обладает рядом фундаментальных свойств:

• Заряд — −1,602176634·10⁻¹⁹ Кл (точное значение по системе СИ с 2019 года).
• Масса покоя — 9,1093837015·10⁻³¹ кг, или 0,51099895 МэВ/c².
• Спин — 1/2, то есть электрон относится к фермионам и подчиняется статистике Ферми — Дирака.
• Полный магнитный момент, включая орбитальный и спиновый вклады, превышает орбитальный момент, что объясняется аномальным магнитным моментом электрона.
• Электрон — точечная частица: в пределах измеримых пределов (менее 10⁻¹⁸ м) внутренней структуры не обнаружено.

Электрон подчиняется принципу неразличимости фермионов: два электрона нельзя отличить друг от друга, что приводит к запрету Паули — в атоме не может существовать больше одного электрона с одинаковым набором квантовых чисел.

¶Электрон в атоме

В атоме электроны занимают дискретные энергетические уровни, описываемые квантовыми числами (главное n, орбитальное l, магнитное mₗ и спиновое mₛ). Распределение электронов по оболочкам определяет положение элемента в периодической таблице и его химические свойства. В нейтральном атоме число электронов равно числу протонов (атомному номеру). Электроны на внешнем уровне участвуют в химических связях: при отдаче или присоединении атом образует ион.

¶Электрон как свободная частица

Вне атома электрон существует как свободная частица. В металлах валентные электроны образуют «электронный газ», подвижность которого обеспечивает электрическую и теплопроводность. Скорость электронов в проводнике при комнатной температуре составляет порядка 10⁻³ скорости света, однако дрейфовая скорость направленного движения — порядка мм/с.

При бомбардировке вещества электронами возникают рентгеновские лучи (тормозное излучение и характеристическое излучение), а в газах — ионизация. В ускорителях электронов разгоняют до релятивистских скоростей, близких к скорости света, что используется в электронных микроскопах и синхротронах.

¶Античастица

Античастица электрона — позитрон (e⁺), открытый Карлом Андерсоном в 1932 году в космических лучах. Позитрон имеет такой же по модулю заряд и массу, но противоположный знак заряда. При столкновении электрона и позитрона происходит аннигиляция с образованием гамма-квантов. Обратная реакция — парообразование — возникает при энергиях фотона свыше 1,02 МэВ.

¶Роль в физике и технологиях

Электрон играет центральную роль в современных технологиях:

• Электроника — полупроводниковые приборы (транзисторы, диоды, микросхемы) работают за счёт управления потоками электронов.
• Электротехника — электрические токи в проводниках представляют собой направленное движение электронов.
• Электронная микроскопия — электронный микроскоп использует коротковолновые свойства быстрых электронов для получения изображений с разрешением на атомном уровне.
• Синхротронное излучение — электроны, движущиеся по замкнутой орбите в синхротроне, излучают электромагнитные кванты от инфракрасного до жёсткого рентгеновского диапазона.

¶Квантовая электродинамика

Согласно квантовой электродинамике (КЭД), электрон взаимодействует с электромагнитным полем посредством обмена виртуальными фотонами. КЭД описывает аномальный магнитный момент электрона с точностью, превышающей десять знаков после запятой, и считается одной из наиболее подтверждённых теорий физики. Взаимодействие электрона с вакуумом приводит к эффекту Ламба — смещению энергетических уровней атома водорода, что было обнаружено экспериментально в 1947 году.

¶Интересные факты

• Электрон ведёт себя одновременно как частица и как волна (волн-частицовая дуальность), что подтверждается опытом с двойным щелем.
• Согласно теореме о спиральности, электрон в природе всегда левозаимный (имеет отрицательную проекцию спина на направление импульса).
• В 2019 году заряд электрона был зафиксирован в системе СИ как точная константа после пересмотра определений основных единиц.

Источники:

• Дж. Дж. Томсон. «Сообщения о разработке и применении инструментов для точных измерений» (1906)
• Р. Милликен. «Элементарный электрический заряд и автодиссоциация газов» (1923)
• Л. Д. Ландау, Е. М. Лифшиц. «Квантовая механика. Нерелятивистская теория»
• Р. Фейнман. «Квантовая электродинамика»
• Физический энциклопедический словарь