Dịch Vụ Bách khoa Sửa Chữa Chuyên nghiệpĐiện Lạnh Bách KhoaElectron – Wikipedia tiếng Việt

Electron – Wikipedia tiếng Việt

14/10/2022 - Dịch Vụ Bách Khoa - 133
Đối với những định nghĩa khác, xem Electron ( khuynh hướng )

Electron hay điện tử,[9] là một hạt hạ nguyên tử, có ký hiệu là e⁻
hay β⁻
, mà điện tích của nó bằng trừ một điện tích cơ bản.[10] Các electron thuộc về thế hệ thứ nhất trong họ các hạt lepton,[11] và nói chung được coi là những hạt cơ bản bởi vì chúng không có các thành phần nhỏ hay cấu trúc con.[1] Electron có khối lượng xấp xỉ bằng 1/1836 so với của proton.[12] Các tính chất cơ học lượng tử của electron bao gồm giá trị mômen động lượng (spin) bằng một nửa đơn vị, biểu diễn theo đơn vị của hằng số Planck thu gọn, ħ. Vì là một fermion, trong hệ cô lập không có hai electron nào có thể ở cùng một trạng thái lượng tử, như nội dung của nguyên lý loại trừ Pauli.[11] Giống như tất cả các hạt cơ bản khác, electron thể hiện cả các tính chất của sóng và hạt: chúng có thể va chạm với các hạt khác và bị nhiễu xạ như ánh sáng. Các tính chất sóng của electron dễ dàng được quan sát thấy ở các thí nghiệm hơn so với những hạt khác ví dụ như neutron và proton bởi vì electron có khối lượng nhỏ hơn và do vậy có bước sóng de Broglie dài hơn ở cùng một mức năng lượng.

Electron có vai trò cơ bản ở nhiều hiện tượng kỳ lạ vật lý, như điện, từ học, hóa học và độ dẫn nhiệt. Ngoài ra nó cũng tham gia vào tương tác mê hoặc, điện từ và yếu. [ 13 ] Vì một electron mang điện tích, bao xung quanh nó là điện trường, và nếu electron hoạt động tương đối với một người quan sát, nó sẽ cảm ứng một từ trường. Trường điện từ tạo ra bởi những nguồn khác sẽ tác động ảnh hưởng đến hoạt động của hạt electron tuân theo định luật lực Lorentz. Electron phát ra hay hấp thụ nguồn năng lượng dưới dạng những photon khi chúng hoạt động tần suất. Các thiết bị ở phòng thí nghiệm có năng lực bẫy từng electron đơn lẻ cũng như những electron plasma bằng sử dụng điện từ trường. Những kính thiên văn đặc biệt quan trọng hoàn toàn có thể phát hiện electron plasma trong khoảng trống thiên hà. Electron tham gia vào nhiều ứng dụng thực tiễn như điện tử học, hàn tia điện tử, ống tia âm cực, kính hiển vi điện tử, trị liệu bức xạ, laser electron tự do, máy dò khí ion hóa và máy gia tốc hạt .

Các tương tác có sự tham gia của những electron với các hạt khác là một trong những chủ đề nghiên cứu của hóa học và vật lý hạt nhân. Tương tác lực Coulomb giữa các proton mang điện dương bên trong hạt nhân nguyên tử và các electron mang điện âm ở orbital cấu thành lên nguyên tử. Sự ion hóa hay sự chênh lệch giữa số electron mang điện âm và hạt nhân mang điện dương làm thay đổi năng lượng liên kết của một hệ nguyên tử. Sự trao đổi hay chia sẻ các electron giữa hai hay nhiều nguyên tử là nguyên nhân chủ yếu tạo ra liên kết hóa học.[14] Năm 1838, nhà triết học tự nhiên người Anh Richard Laming lần đầu tiên đã đặt ra khái niệm về một đại lượng điện tích không thể chia nhỏ hơn nhằm giải thích các tính chất hóa học của các nguyên tử.[3] Nhà vật lý người Ireland George Johnstone Stoney sau đó đặt tên đại lượng điện tích này là ‘electron’ vào năm 1891, và sau đó J. J. Thomson cùng các cộng sự người Anh cuối cùng đã phát hiện ra electron có biểu hiện của một hạt cơ bản vào năm 1897.[5] Electron cũng tham gia vào các phản ứng hạt nhân, như quá trình tổng hợp lên các hạt nhân nặng hơn trong các sao, mà chúng thường được gọi là các hạt beta. Electron cũng có thể được tạo ra trong phân rã beta từ các đồng vị phóng xạ và trong các va chạm năng lượng cao, như ở sự kiện các tia vũ trụ bắn phá bầu khí quyển. Phản hạt của electron được gọi là positron; nó có tính chất đồng nhất với electron ngoại trừ các tích như điện tích mang dấu ngược lại. Khi một electron va chạm với một positron, cả hai hạt bị hủy, tạo ra hai photon tia gamma năng lượng cao.

Khám phá ra hiệu ứng của lực điện[sửa|sửa mã nguồn]

Người Hy Lạp cổ đại đã nhận thấy rằng khi dùng bộ lông thú chà xát vào hổ phách thì nó có khả năng hút được những vật nhỏ. Cùng với sét, đây là một trong những hiện tượng về điện được ghi nhận sớm nhất trong lịch sử loài người.[15] Trong luận thuyết De Magnete viết năm 1600, nhà khoa học người Anh William Gilbert đưa ra thuật ngữ trong tiếng Latin mới là electrica, để kể đến những chất có tính chất tương tự như hổ phách với khả năng có thể hút được những vật nhỏ khi chà xát với lông thú.[16] Cả hai thuật ngữ electric và electricity đều có nguồn gốc từ tiếng Latin ēlectrum (cũng là từ nguyên của hợp kim có cùng tên); ēlectrum có từ nguyên bắt nguồn từ chữ hổ phách trong tiếng Hy Lạp, ἤλεκτρον (ēlektron).[17]

Khám phá hai loại điện tích[sửa|sửa mã nguồn]

Đầu những năm 1700, nhà hóa học người Pháp Charles François du Fay phát hiện thấy nếu một lá vàng tích điện bị đẩy bởi một que thủy tinh khi chà nó với lụa, thì cùng lá vàng tích điện này lại bị hút bởi hổ phách khi chà vào bông sợi. Từ quan sát này cùng những kết quả thí nghiệm tương tự, du Fay kết luận rằng điện phải chứa hai loại chất lỏng mang điện, chất lỏng vitreous từ đũa thủy tinh khi chà xát vào lụa và chất lỏng resinous từ hổ phách khi chà vào bông sợi. Hai chất lỏng này có thể trung hòa lẫn nhau khi được kết hợp lại.[16][18] Nhà khoa học người Mỹ Ebenezer Kinnersley sau đó cũng độc lập đi đến kết luận tương tự của du Fay.[19]:118 Một thập kỷ sau, Benjamin Franklin đề xuất rằng điện không cấu tạo từ những loại chất lỏng điện khác nhau, mà là một chất lỏng điện có biểu hiện dư thừa (+) hay thiếu hụt (−) điện tích. Ông đưa ra thuật ngữ hiện đại tương ứng với chúng là điện tích dương và điện tích âm.[20] Franklin từng nghĩ về chất mang điện sẽ có điện tích dương, nhưng ông đã không miêu tả đúng tình huống khi nào chất sẽ dư thừa điện tích, và khi nào bị thiếu hụt điện tích.[21]

Giữa các năm 1838 và 1851, nhà triết học tự nhiên người Anh Richard Laming phát triển ý tưởng cho rằng một nguyên tử là tổ hợp bao gồm một lõi vật chất được bao quanh bởi những hạt nhỏ hơn nguyên tử mà có điện tích bằng số lần điện tích đơn vị.[2] Đầu năm 1846, nhà vật lý người Đức William Weber đưa ra lý thuyết miêu tả điện là chất tổng hợp bởi các chất lỏng tích điện dương và âm, và tương tác giữa chúng bị chi phối bởi luật nghịch đảo bình phương. Sau khi nghiên cứu hiện tượng điện phân vào năm 1874, nhà vật lý người Ireland George Johnstone Stoney gợi ý có tồn tại một “đại lượng xác định duy nhất cho điện”, điện tích của một ion hóa trị một. Ông đã có thể ước lượng giá trị của điện tích cơ bản e này bằng cách áp dụng định luật điện phân Faraday.[22] Tuy nhiên, Stoney lại tin rằng những điện tích này lại gắn chặt vĩnh cửu vào nguyên tử và không thể bị tách rời. Năm 1881, nhà vật lý người Đức Hermann von Helmholtz cho rằng cả điện tích dương và điện tích âm có thể chia ra thành những thành phần cơ bản, mỗi một chúng “hành xử như những nguyên tử của điện”.[3]

Stoney ban đầu đưa ra thuật ngữ electrolion vào năm 1881. Mười năm sau, ông chuyển sang sử dụng electron để miêu tả những điện tích cơ bản này, khi ông viết vào năm 1894: “… một ước lượng được thực hiện để tính toán số lượng thực tế của đơn vị điện cơ bản điển hình nhất này, mà tôi đã từng dám gợi ý đặt tên là electron“. Đã có một đề xuất vào năm 1906 nhằm đổi sang tên gọi electrion nhưng đã thất bại bởi vì Hendrik Lorentz vẫn thích tên gọi electron hơn.[23][24] Từ electron là tổ hợp của các từ electric và ion.[25] Hậu tố –on mà hiện nay được sử dụng để đặt tên cho các hạt cơ bản khác, như proton hoặc neutron, có nguồn gốc bắt nguồn từ cách đặt tên cho electron.[26][27]

Khám phá ra những electron tự do bên ngoài vật chất[sửa|sửa mã nguồn]

A round glass vacuum tube with a glowing circular beam inside [28]Đường bay của một chùm electron bị lệch thành hình tròn trụ khi đặt trong một từ trườngKhi điều tra và nghiên cứu hiện tượng kỳ lạ dẫn điện trong khí loãng vào năm 1859, nhà vật lý người Đức Julius Plücker quan sát thấy ánh sáng lân quang, vốn được tạo thành bởi bức xạ phát ra từ cathode, Open tại thành ống gần cathode, và vùng ánh sáng lân quang đó hoàn toàn có thể chuyển dời bằng việc ứng dụng từ trường. [ 29 ] Năm 1869, Johann Wilhelm Hittorf, một học trò của Plücker, phát hiện rằng một vật rắn đặt giữa cathode và vùng lân quang tạo ra một vùng tối trên vùng lân quang của ống. Hittorf Kết luận rằng có những tia truyền thẳng phát ra từ cathode và vùng lân quang đó được tạo ra bởi những tia chiếu qua thành ống. Năm 1876, nhà vật lý người Đức Eugen Goldstein chỉ ra rằng những tia này được phát ra theo phương vuông góc với mặt cathode, mặt ngăn cách giữa những tia phát ra từ cathode và ánh sáng sợi đốt. Goldstein đặt tên cho những tia này là tia âm cực. [ 30 ] [ 31 ] : 393 Công cuộc nghiên cứu và điều tra về tia âm cực lê dài hàng thập kỷ cả về triết lý và thực nghiệm đóng vai trò quan trọng trong quy trình mày mò ra electron của J. J. Thomson. [ 3 ]Trong thập niên 1870, nhà hóa lý người Anh Sir William Crookes đã tăng trưởng ống tia âm cực tiên phong với môi trường tự nhiên chân không cao bên trong. [ 32 ] Sau đó ông chứng tỏ rằng những tia phát quang Open bên trong ống có mang nguồn năng lượng và hoạt động từ phía cathode sang anode. Hơn nữa, khi đặt vào một từ trường, ông đã làm lệch đường đi của chùm tia, do đó chứng tỏ thêm chùm tia hành xử như nó chứa điện tích âm. [ 30 ] Năm 1879, ông đề xuất kiến nghị rằng những đặc thù này hoàn toàn có thể được lý giải bằng cách coi rằng những tia âm cực gồm có những phân tử khí mang điện tích âm trong trạng thái thứ tư của vật chất mà trong đó quãng đường tự do của những phân tử lớn đến mức hoàn toàn có thể bỏ lỡ va chạm. [ 31 ] : 394 – 395Nhà vật lý người Anh sinh ở Đức Arthur Schuster triển khai lan rộng ra những thí nghiệm của Crookes khi đặt những tấm sắt kẽm kim loại song song với chùm tia cathode và vận dụng vào một điện thế giữa những tấm này. [ 33 ] Điện trường đã làm lệch chùm tia về phía tấm sắt kẽm kim loại tích điện dương, chứng cứ đã củng cố thêm cho Kết luận chùm tia mang điện tích âm. Bằng cách đo độ lệch của chùm tia tương ứng với từng lần kiểm soát và điều chỉnh dòng điện giữa hai tấm sắt kẽm kim loại, năm 1890 Schuster đã ước đạt được tỷ số khối lượng − điện tích [ gc 3 ] của những thành phần trong chùm tia. Tuy vậy, giá trị ông thu được lớn hơn 1000 lần so với giá trị được Dự kiến, do đó ít người đã chú ý đến tác dụng đo lường và thống kê của ông vào thời gian đó. [ 30 ]Năm 1892, Hendrik Lorentz gợi ý rằng khối lượng của những hạt này ( electron ) hoàn toàn có thể là hệ quả của lượng điện tích mà chúng mang theo. [ 34 ]
Khi đang điều tra và nghiên cứu những khoáng chất huỳnh quang tự nhiên vào năm 1896, nhà vật lý người Pháp Henri Becquerel tò mò thấy chúng phát ra những bức xạ mà không cần phải chiếu thêm một nguồn nguồn năng lượng từ bên ngoài. Những vật tư phóng xạ này trở thành mối chăm sóc của nhiều nhà khoa học, gồm có nhà vật lý người New Zealand Ernest Rutherford, ông đã phát hiện vật liệu phóng xạ có phát ra những hạt. Ông gọi những hạt này là những hạt alpha và hạt beta, dựa trên năng lực đâm xuyên của chúng qua vật chất. [ 35 ] Năm 1900, Becquerel đã chứng tỏ chùm tia beta phát ra từ hạt nhân radium hoàn toàn có thể bị làm lệch hướng trong một điện trường, và tỷ số khối lượng trên điện tích của chúng bằng với tỷ số này của chùm tia cathode. [ 36 ] Chứng cứ này đã củng cố thêm quan điểm cho rằng electron sống sót như thể một trong những thành phần của nguyên tử. [ 37 ] [ 38 ]

Năm 1897, nhà vật lý người Anh J. J. Thomson, cùng với các đồng nghiệp John S. Townsend và H. A. Wilson, đã thực hiện các thí nghiệm chỉ ra chùm tia cathode thực sự chứa các hạt, hơn là một loại sóng, những hạt nguyên tử hoặc phân tử như nhiều nhà khoa học từng tin như vậy trước đó.[5] Thomson đã có kết quả ước lượng khá tốt về điện tích e và khối lượng m của hạt tia cathode, mà ông gọi là “corpuscles”, nó có khối lượng bằng một phần nghìn khối lượng của ion nhẹ nhất: ion hydro.[5] Ông cũng đã chứng minh tỷ số điện tích−khối lượng, e/m, có giá trị độc lập với vật liệu của bản cực cathode. Ông tiếp tục chứng tỏ thêm các vật liệu phóng xa, vật liệu nung nóng và vật liệu bị chiếu xạ có phát ra các hạt mang điện tích âm.[5][39] Tên gọi electron về sau được cộng đồng khoa học chấp nhận sử dụng rộng rãi, chủ yếu do đề xuất của G. F. FitzGerald, J. Larmor và H. A. Lorentz.[40]:273

Điện tích của electron đã được đo một cách đúng mực hơn bởi những nhà vật lý Mỹ Robert Millikan và Harvey Fletcher trong thí nghiệm giọt dầu vào năm 1909, và tác dụng được công bố vào 1911. Thí nghiệm sử dụng một điện trường để hãm những giọt dầu mang điện tích rơi trong không khí dưới ảnh hưởng tác động của lực mê hoặc. Thiết bị của họ hoàn toàn có thể đo điện tích của 1 – 150 ion với sai số là 0,3 %. Trước đó nhóm của Thomson cũng triển khai thí nghiệm tựa như, [ 5 ] sử dụng đám mây chứa những giọt nước tích điện tạo ra bởi sự điện phân, và thí nghiệm triển khai bởi Abram Ioffe năm 1911, ông đã thu được tác dụng tương tự như một cách độc lập với nhóm Millikan khi sử dụng những vi hạt sắt kẽm kim loại tích điện, và tác dụng được công bố vào năm 1913. [ 41 ] Tuy nhiên, những giọt dầu có tính không thay đổi hơn giọt nước chính bới chúng có vận tốc bốc hơi chậm hơn, và do đó tương thích hơn với thí nghiệm đúng chuẩn yên cầu thực thi trong thời hạn dài hơn. [ 42 ]Vào thời gian khởi đầu thế kỷ 20, những nhà khoa học phát hiện rằng dưới những điều kiện kèm theo nhất định một hạt tích điện hoạt động nhanh trong buồng bọt hoàn toàn có thể gây ra sự ngưng tụ của hơi nước siêu bão hòa trên quỹ đạo hoạt động của hạt. Năm 1911, Charles Wilson đã vận dụng nguyên tắc này cho thiết bị buồng mây của mình, được cho phép ông hoàn toàn có thể chụp ảnh được quỹ đạo của những hạt tích điện, ví dụ như những electron hoạt động nhanh. [ 43 ]

Lý thuyết nguyên tử[sửa|sửa mã nguồn]

Cho đến năm 1914, những thí nghiệm thực thi bởi Ernest Rutherford, Henry Moseley, James Franck và Gustav Hertz hầu hết đã chứng minh và khẳng định được cấu trúc nguyên tử gồm có một hạt nhân cô đặc mang điện dương bao xung quanh bởi những electron có khối lượng rất nhỏ. [ 44 ] Năm 1913, nhà vật lý người Đan Mạch Niels Bohr giả thuyết những electron nằm trong những trạng thái có mức nguồn năng lượng bị lượng tử hóa, mức nguồn năng lượng của chúng được xác lập bởi mômen động lượng của quỹ đạo electron quanh hạt nhân. Các electron hoàn toàn có thể hoạt động trên những quỹ đạo này, bằng cách phát ra hay hấp thụ photon với tần số xác lập. Với cơ sở là những quỹ đạo bị lượng tử hóa này, Bohr hoàn toàn có thể lý giải một cách đúng chuẩn những vạch quang phổ của nguyên tử hydro. [ 45 ] Tuy nhiên, quy mô của Bohr chưa thể lý giải được cường độ tương đối của những vạch này cũng như quy mô chưa thể lý giải quang phổ của những nguyên tử phức tạp hơn. [ 44 ]Liên kết hóa học giữa những nguyên tử được Gilbert Newton Lewis lý giải, khi vào năm 1916 ông đề xuất kiến nghị rằng link cộng hóa trị giữa hai nguyên tử được duy trì bởi cặp electron san sẻ giữa chúng. [ 46 ] Sau đó, vào năm 1927, Walter Heitler và Fritz London đưa ra triết lý lý giải vừa đủ cho sự hình thành cặp electron và link hóa học trong khuôn khổ của cơ học lượng tử. [ 47 ] Năm 1919, nhà hóa học người Mỹ Irving Langmuir đưa ra quy mô tĩnh về nguyên tử và gợi ý rằng mọi electron được phân bổ tuần tự theo ” những vỏ ( gần ) hình cầu đồng tâm, toàn bộ đều có độ dày bằng nhau “. [ 48 ] Tiếp đó, ông chia những vỏ này ra thành một số ít ô, mà mỗi ô chứa một cặp electron. Với quy mô này, Langmuir hoàn toàn có thể lý giải một cách định tính những đặc thù hóa học của những nguyên tố trong bảng tuần hoàn, [ 47 ] mà nhiều đặc thù được lặp lại tuân theo định luật tuần hoàn trong bảng. [ 49 ]Năm 1924, nhà vật lý người Áo Wolfgang Pauli nhận xét thấy cấu trúc tựa vỏ của nguyên tử hoàn toàn có thể được lý giải bằng một tập hợp chứa bốn tham số xác lập lên mỗi trạng thái nguồn năng lượng lượng tử, và mỗi trạng thái này không hề chiếm bởi nhiều hơn một electron. Việc không có nhiều hơn một electron chiếm chỗ ở cùng một trạng thái nguồn năng lượng lượng tử được phát biểu trong nguyên tắc loại trừ Pauli. [ 50 ] Cơ chế vật lý để lý giải cho tham số thứ tư, mà nó có hai giá trị phân biệt, được những nhà vật lý người Hà Lan Samuel Goudsmit và George Uhlenbeck yêu cầu. Năm 1925, họ cho rằng một electron, cùng với mômen động lượng của quỹ đạo, còn chiếm hữu thêm mômen góc động lượng nội tại và mômen lưỡng cực từ. [ 44 ] [ 51 ] Điều này tương tự như như sự tự quay của Trái Đất cũng như nó quay trên quỹ đạo quanh Mặt Trời. Mômen góc động lượng nội tại này được gọi là spin, và đưa ra cách lý giải cho sự tách vạch huyền bí như được quan sát thấy ở những vạch quang phổ bằng phổ kế có độ phân giải cao ; hiện tượng kỳ lạ này được biết đến như thể sự tách cấu trúc tinh xảo. [ 52 ]

Cơ học lượng tử[sửa|sửa mã nguồn]

Trong luận án Recherches sur la théorie des quanta (Nghiên cứu về lý thuyết lượng tử) viết năm 1924, nhà vật lý người Pháp Louis de Broglie giả thuyết rằng mọi vật chất có thể được biểu diễn bằng sóng de Broglie tương tự như sóng ánh sáng.[53] Điều đó có nghĩa là dưới những điều kiện phù hợp, các electron và những hạt vật chất khác sẽ thể hiện những tính chất của sóng hoặc của hạt. Lý thuyết hạt ánh sáng được chứng tỏ khi nó thể hiện có vị trí định xứ trong không gian dọc theo quỹ đạo chùm sáng ở bất kỳ thời điểm nào.[54] Bản chất sóng ánh sáng được hiện, ví dụ, khi một chùm sáng chiếu qua những khe hẹp song song nó sẽ tạo thành những vân giao thoa. Năm 1927 George Paget Thomson khám phá ra hiệu ứng giao thoa xuất hiện khi cho một chùm electron truyền qua những lá kim loại mỏng và kiểu thí nghiệm tương tự được các nhà vật lý người Mỹ Clinton Davisson và Lester Germer thực hiện khi cho chùm electron phản xạ từ tinh thể nikel và quan sát thấy hiệu ứng giao thoa.[55] Các hiệu ứng này còn được gọi là hiện tượng nhiễu xạ electron.

A symmetrical blue cloud that decreases in intensity from the center outward

tìm thấy electron, có năng lượng tương ứng với các Trong cơ học lượng tử, hành xử của một electron trong một nguyên tử được miêu tả bằng orbital, miền được miêu tả bằng phân bổ Xác Suất tìm thấy electron hơn là một quỹ đạo. Trong hình, vùng tối màu chỉ ra Tỷ Lệ tương ứng sẽelectron, có nguồn năng lượng tương ứng với những số lượng tử, tại điểm đó .Dự đoán của de Broglie về thực chất sóng của electron đưa Erwin Schrödinger thiết lập lên phương trình sóng miêu tả electron hoạt động dưới tác động ảnh hưởng của hạt nhân trong nguyên tử. Năm 1926, với phương trình của mình, phương trình Schrödinger, ông đã miêu tả thành công xuất sắc sóng electron trong hệ nguyên tử. [ 56 ] Hơn là chỉ việc tìm ra nghiệm xác lập vị trí của một electron theo thời hạn, phương trình sóng này cũng được vận dụng để Dự kiến Xác Suất tìm thấy electron quanh vị trí đơn cử, đặc biệt quan trọng vị trí gần nơi electron bị chặn trong khoảng trống, mà tại đây phương trình sóng electron không biến hóa theo thời hạn. Cách tiếp cận này đã đem đến một kim chỉ nan miêu tả cơ học lượng tử thứ hai ( triết lý tiên phong miêu tả bằng cơ học ma trận do Heisenberg tăng trưởng năm 1925 ), và nghiệm của phương trình Schrödinger, giống như của Heisenberg, được cho phép dẫn ra những trạng thái nguồn năng lượng của một electron trong nguyên tử hydro mà tương tự với những tác dụng thu được bởi Bohr vào năm 1913, và miêu tả đúng mực quang phổ nguyên tử hydro. [ 57 ] Khi kể đến spin và tương tác giữa nhiều electron, cơ học lượng tử đưa ra những Dự kiến đúng chuẩn về thông số kỹ thuật electron trong những hệ nguyên tử phức tạp hơn hydro. [ 58 ]

Năm 1928, dựa trên các nghiên cứu của Wolfgang Pauli, Paul Dirac thiết lập nên một mô hình về electron – phương trình Dirac, nhất quán với thuyết tương đối hẹp, bằng cách áp dụng các điều kiện đối xứng và tương đối tính trong hình thức luận hamiltonian của cơ học lượng tử cho trường điện từ.[59] Để có thể giải một số vấn đề trong phương trình tương đối tính của mình, năm 1930 Dirac nêu ra một mô hình chân không như là một biển chứa vô hạn các hạt có năng lượng âm, sau này gọi là biển Dirac. Mô hình này đã đưa ông đi đến dự đoán tồn tại positron, một hạt phản vật chất của electron.[60] Hạt này sau đó được phát hiện vào năm 1932 bởi Carl Anderson, và ông đề xuất gọi các electron thường gặp là negatron và sử dụng thuật ngữ electron nhằm miêu tả những biến thể mang điện tích dương hoặc âm.[61]

Năm 1947 Willis Lamb, khi đang thực thi nghiên cứu và điều tra cùng với sinh viên Robert Retherford, đã tìm thấy có những trạng thái lượng tử riêng không liên quan gì đến nhau của hydro, đáng ra phải có cùng mức nguồn năng lượng, lại được di dời tương đối với nhau ; sự rơi lệch này sau đó được gọi là di dời Lamb. Trong cùng thời hạn, Polykarp Kusch, cùng với Henry M. Foley, đã tò mò bằng thí nghiệm mômen từ của electron có giá trị hơi lớn hơn so với Dự kiến của kim chỉ nan Dirac. Giá trị chênh lệch nhỏ này sau đó được gọi là mômen lưỡng cực từ dị thường của electron. Sự chênh lệch này sau đó được lý giải trong kim chỉ nan điện động lực học lượng tử, tăng trưởng bởi những nhà vật lý Sin-Itiro Tomonaga, Julian Schwinger và Richard Feynman vào cuối thập niên 1940. [ 62 ]

Máy gia tốc hạt[sửa|sửa mã nguồn]

Với sự tăng trưởng của những loại máy gia tốc hạt trong nửa đầu thế kỷ 20, những nhà vật lý mở màn tìm hiểu và khám phá sâu hơn vào những đặc thù của những hạt hạ nguyên tử. [ 63 ] Thành công tiên phong trong nỗ lực tần suất electron sử dụng cảm ứng điện từ được triển khai vào năm 1942 bởi Donald Kerst. Máy betatron bắt đầu của ông đạt đến mức nguồn năng lượng 2,3 MeV, và những máy betatron về sau đạt đến mức 300 MeV. Năm 1947, bức xạ đồng nhất ( synchrotron radiation ) được phát hiện tại máy gia tốc synchrotron, đưa electron đạt mức nguồn năng lượng 70 MeV, tại cơ sở nghiên cứu và điều tra của General Electric. Bức xạ này là do những electron hoạt động tần suất đi qua một từ trường ở tốc độ gần bằng vận tốc ánh sáng. [ 64 ]Máy gia tốc va chạm hạt ADONE là máy tiên phong đạt mức nguồn năng lượng của chùm tia cỡ 1,5 GeV, mở màn hoạt động giải trí vào năm 1968. [ 65 ] Trong thiết bị này, những hạt electron và positron được tần suất theo hai hướng ngược chiều nhau, như vậy gần như làm tăng gấp đôi nguồn năng lượng va chạm so với máy gia tốc chùm tia electron bắn vào một bia cố định và thắt chặt. [ 66 ] Máy va chạm lớn Electron – Positron ( Large Electron – Positron Collider ; LEP ) ở CERN, hoạt động giải trí từ 1989 đến 2000, đạt tới mức nguồn năng lượng va chạm 209 GeV và có những giám sát quan trọng cho Mô hình Chuẩn của vật lý hạt. [ 67 ] [ 68 ]

Giam giữ từng electron[sửa|sửa mã nguồn]

Hiện nay từng electron đơn lẻ có thể dễ dàng bị giam hãm trong những transistor CMOS siêu nhỏ (L = 20 nm, W = 20 nm) hoạt động ở ngưỡng nhiệt độ lạnh sâu từ −269 °C (4 K) cho đến khoảng −258 °C (15 K).[69] Hàm sóng electron lan truyền trong một dàn chất bán dẫn và khi bỏ qua tương tác của nó với các electron trong dải hóa trị, thì có thể coi như là hàm của electron đơn lẻ, bằng cách thay thế khối lượng của nó bằng tenxơ khối lượng hiệu dụng.[70]

Các đặc tính[sửa|sửa mã nguồn]

A table with four rows and four columns, with each cell containing a particle identifier Mô hình Chuẩn của hạt cơ bản. Electron ( ký hiệu e ) nằm ở bên trái .Trong Mô hình Chuẩn của vật lý hạt, electron thuộc về nhóm những hạt hạ nguyên tử gọi là lepton, mà được cho là những hạt cơ bản. Electron có khối lượng nhỏ nhất trong nhóm lepton ( cũng như trong nhóm những hạt mang điện ) và thuộc về thế hệ thứ nhất của hạt cơ bản. [ 71 ] Thế hệ thứ hai và thứ ba gồm có những lepton mang điện, hạt muon và tau, chúng có giá trị điện tích, spin và tham gia tương tác giống với của electron, nhưng có khối lượng lớn hơn. Lepton khác so với những thành phần cơ bản khác của vật chất, hạt quark, khi lepton không tham gia vào tương tác mạnh. Tất cả những thành viên trong nhóm lepton đều là fermion, chính do chúng đều có spin bán nguyên ; electron có spin 50%. [ 72 ]

Các đặc thù cơ bản[sửa|sửa mã nguồn]

Khối lượng không bao giờ thay đổi ( khối lượng nghỉ ) của electron giao động bằng 9,109 × 10 − 31 kilogram, [ 73 ] hay 5,489 × 10 − 4 đơn vị chức năng khối lượng nguyên tử. Trên cơ sở của nguyên tắc sự tương tự khối lượng − nguồn năng lượng của Einstein, khối lượng này tương ứng với mức nguồn năng lượng nghỉ 0,511 MeV. Tỷ số giữa khối lượng của một proton so với của electron bằng khoảng chừng 1836. [ 12 ] [ 74 ] Các đo đạc thiên văn cho thấy tỷ số khối lượng proton trên khối lượng electron vẫn giữ nguyên không đổi, như được Dự kiến bởi Mô hình Chuẩn, trong thời hạn tối thiểu bằng một nửa tuổi của thiên hà. [ 75 ]

Electron có điện tích bằng −1,602176634 × 10−19 coulomb,[73] một giá trị đã được sử dụng làm đơn vị điện tích chuẩn cho các hạt hạ nguyên tử, và cũng được gọi là điện tích cơ bản.[76] Trong khoảng giới hạn sai số thí nghiệm, giá trị điện tích của electron bằng giá trị của proton nhưng mang dấu ngược lại.[77] Vì ký hiệu e được sử dụng cho điện tích cơ bản, electron thường được ký hiệu là e⁻
, với dấu trừ thể hiện cho điện tích âm. Positron được ký hiệu e+
bởi vì nó có cùng các tính chất với electron nhưng mang điện tích dương.[72][73]

Electron có mômen động lượng nội tại hay spin 1/2.[73] Do tính chất này mà electron thường được coi các hạt có spin-1/2.[72] Những hạt như vậy có độ lớn spin bằng √3/2 ħ,[78][gc 4] trong khi kết quả đo từ hình chiếu của spin lên một trục bất kỳ chỉ có thể bằng ±ħ/2. Ngoài spin, electron còn có mômen từ hướng dọc theo trục spin của nó.[73] Giá trị mômen từ electron xấp xỉ bằng một Bohr magneton,[79][gc 5] là hằng số vật lý bằng 9,27400915(23) × 10−24 joule trên tesla.[73] Hướng của spin so với hướng của mômen động lượng electron xác định lên tính chất của các hạt cơ bản được biết đến là tính xoắn (helicity).[80]

Electron không có cấu trúc con đã biết, [ 1 ] [ 81 ] nên nó thường được coi là một hạt điểm, hay đơn cử là một điện tích điểm không có khoảng trống trong. [ 11 ] Quan sát electron đơn lẻ trong bẫy Penning gợi ý rằng số lượng giới hạn trên của nửa đường kính của nó bằng 10 − 22 mét. [ 82 ] Giá trị số lượng giới hạn trên của nửa đường kính electron bằng 10 − 18 mét [ 83 ] hoàn toàn có thể dẫn ra từ nguyên tắc bất định tích hợp với nguồn năng lượng. Ngoài ra, còn có một hằng số vật lý gọi là ” nửa đường kính electron cổ xưa “, với giá trị là 2,8179 × 10 − 15 m, lớn hơn rất nhiều nửa đường kính của proton. Tuy nhiên, giá trị này được tìm từ những phép tính đơn thuần mà bỏ lỡ những hiệu ứng của cơ học lượng tử ; trong trong thực tiễn, giá trị nửa đường kính electron cổ xưa không có nhiều ý nghĩa khi đề cập đến cấu trúc cơ bản bên trong của electron. [ 84 ] [ 85 ] [ gc 6 ]Có những hạt cơ bản khác tự động hóa phân rã thành những hạt khối lượng nhẹ hơn. Ví dụ cho muon, nó có thời hạn sống trung bình 2,2 × 10 − 6 giây, và phân rã thành một electron, một neutrino muon và một phản neutrino electron. Hạt electron, mặt khác, theo triết lý được cho là hạt bền : electron là hạt có khối lượng nhỏ nhất với điện tích khác 0, do đó sự phân rã của nó sẽ vi phạm định luật bảo toàn điện tích. [ 86 ] Thực nghiệm xác lập số lượng giới hạn dưới của thời hạn sống của electron là 6,6 × 1028 năm, ở mức 90 % độ an toàn và đáng tin cậy. [ 8 ] [ 87 ] [ 88 ]

Các tính chất lượng tử[sửa|sửa mã nguồn]

Như mọi hạt khác, những electron có hành xử như những sóng. Đặc điểm này được gọi là lưỡng tính sóng – hạt và được chứng tỏ bằng thí nghiệm giao thoa hai khe .

Bản chất sóng của electron cho phép nó đi qua hai khe song song một cách đồng thời, hơn là chỉ một khe ở một thời điểm như đối với trường hợp của hạt. Trong cơ học lượng tử, tính chất sóng của một hạt được miêu tả bằng toán học dưới dạng hàm giá trị phức, hay hàm sóng, thường được ký hiệu bằng chữ cái Hy Lạp psi (ψ). Khi tính bình phương giá trị tuyệt đối của hàm này, sẽ cho xác suất quan sát được một hạt ở một vị trí cho trước—hay chính là mật độ xác suất.[89]:162–218

A three dimensional projection of a two dimensional plot. There are symmetric hills along one axis and symmetric valleys along the other, roughly giving a saddle-shape Ví dụ về một hàm sóng phản xứng của một trạng thái lượng tử của hai ferrmion như nhau trong hộp 1 chiều. Nếu những hạt đổi chỗ cho nhau, hàm sóng tương ứng sẽ đổi dấu .

Electron là những hạt đồng nhất bởi vì không thể phân biệt được chúng dựa trên những tính chất vật lý nội tại của hạt. Trong cơ học lượng tử, điều này có nghĩa là một cặp electron tương tác có thể đổi chỗ cho nhau mà không làm thay đổi trạng thái quan sát được của hệ. Hàm sóng của các fermion, bao gồm electron, là hàm phản xứng, có nghĩa rằng nó thay đổi dấu khi hai electron trao đổi vị trí cho nhau; hay, ψ(r1, r2) = −ψ(r2, r1), với các biến r1 và r2 tương ứng với electron thứ nhất và thứ hai. Vì giá trị tuyệt đối không thay đổi khi hai hạt đổi chỗ cho nhau, điều này tương ứng với xác suất của hai sự kiện là bằng nhau. Ngược lại, hạt boson, như photon, lại có hàm sóng đối xứng.[89]:162–218

Trong trường hợp phản xứng, những nghiệm của phương trình sóng cho những electron tương tác sẽ cho Tỷ Lệ bằng 0 so với mỗi cặp chiếm cùng một vị trí hoặc trạng thái. Kết quả này tương ứng với nguyên tắc loại trừ Pauli, phát biểu rằng không hề có hai electron chiếm cùng một trạng thái lượng tử. Nguyên lý này lý giải cho nhiều đặc thù của những electron hóa học. Ví dụ, nó làm cho nhóm những electron link chiếm những orbital khác nhau trong một nguyên tử, hơn là đan xen lẫn nhau trong cùng một orbital. [ 89 ] : 162 – 218

Trong một bức tranh đơn giản, mỗi photon đôi lúc được coi như là tổ hợp của một hạt electron ảo với phản hạt ảo của nó, positron ảo, mà chúng nhanh chóng hủy lẫn nhau khi vừa mới sinh ra trong một thời gian rất ngắn.[90] Sự kết hợp của biến thiên năng lượng cần thiết để sinh ra những hạt này, và khoảng thời gian trong đó chúng tồn tại, phải nằm trong ngưỡng chấp nhận được tuân theo nguyên lý bất định Heisenberg, ΔE · Δt ≥ ħ. Để thỏa mãn nguyên lý này, năng lượng cần thiết để sinh ra những hạt ảo này, ΔE, có thể được “mượn” từ chân không trong một khoảng thời gian, Δt, sao cho tích của chúng không được lớn hơn hằng số Planck thu gọn, ħ ≈ 6,6 ×10−16 eV·s. Do vậy, đối với một electron ảo, Δt lớn nhất bằng 1,3 × 10−21 s.[91] (nghĩa là nếu cặp electron ảo−positron ảo mượn năng lượng ΔE từ chân không lượng tử thì phải trả lại năng lượng này cho chân không sau tối đa một khoảng thời gian Δt sao cho ΔE · Δt ≤ ħ)

A sphere with a minus sign at lower left symbolizes the electron, while pairs of spheres with plus and minus signs show the virtual particles Minh họa những cặp hạt electron – positron ảo Open ngẫu nhiên gần một electron ( phía dưới bên trái )Khi một cặp electron – positron ảo đang sống sót, lực tĩnh điện Coulomb từ điện trường tức thời xung quanh hạt electron sẽ làm hút hạt positron về phía electron gốc bắt đầu, trong khi electron được sinh ra chịu một lực đẩy. Hiệu ứng này chính là sự phân cực chân không. Về mặt hiệu ứng, chân không hành xử như một môi trường tự nhiên có dielectric permittivity lớn hơn 1 đơn vị chức năng. Do vậy điện tích hữu hiệu của một electron thực sự nhỏ hơn giá trị thực của nó, và điện tích giảm dần khi khoảng cách tăng dần tính từ electron. [ 92 ] [ 93 ] Sự phân cực này đã được xác nhận bằng thực nghiệm vào năm 1997 tại máy gia tốc hạt TRISTAN ở Nhật Bản. [ 94 ] Các hạt ảo cũng tạo ra hiệu ứng lá chắn đáng kể cho khối lượng của electron. [ 95 ]Tương tác với những hạt ảo cũng lý giải sự xô lệch nhỏ ( khoảng chừng 0,1 % ) về giá trị của mômen từ nội tại của electron so với magneton Bohr ( xô lệch này được gọi là mômen từ dị thường của electron ). [ 79 ] [ 96 ] Sự khớp đúng chuẩn tuyệt vời giữa giá trị giám sát trên triết lý và giá trị đo được bằng thực nghiệm của mômen từ dị thường electron được coi là một trong những thành tựu quan trọng nhất của điện động lực học lượng tử. [ 97 ]Nghịch lý trong vật lý cổ xưa về hạt điểm electron lại có mômen góc spin và mômen từ nội tại hoàn toàn có thể được xử lý bởi sự hình thành của những cặp hạt photon ảo trong điện trường sinh bởi electron. Các photon ảo này ( đến lượt lại sinh ra những cặp electron − positron ảo khác ) làm cho electron luôn di dời xung quanh vị trí của nó ( còn gọi là zitterbewegung ), [ 98 ] mà tổng hợp lại thành một hoạt động tròn với hiệu ứng tiến động. Chuyển động này tạo ra cả spin và mômen từ của electron. [ 11 ] [ 99 ] Trong nguyên tử, sự sinh những cặp hạt photon ảo giúp lý giải hiệu ứng di dời Lamb như đã quan sát thấy ở những vạch quang phổ. [ 92 ]
Electron sinh ra từ trường tạo ra lực hút lên hạt mang điện dương, như proton, và lực đẩy lên hạt mang điện âm. Cường độ của lực này trong điện động lực học cổ điện được xác lập bằng định luật nghịch đảo bình phương Coulomb. [ 100 ] : 58 – 61 Khi một electron đang trong hoạt động, nó tạo ra một từ trường bao quanh. [ 89 ] : 140 Định luật Ampère-Maxwell cho biết mối liên hệ giữa từ trường và hoạt động của dòng những electron ( dòng điện ) tương ứng với người quan sát. Tính chất cảm ứng này phân phối một từ trường dẫn động làm quay động cơ điện. [ 101 ] Trường điện từ của một hạt mang điện bất kể đang trong hoạt động được miêu tả bằng thế Liénard – Wiechert, thế này đúng cho cả trường hợp hạt hoạt động với tốc độ gần bằng vận tốc ánh sáng ( hay tốc độ tương đối tính ). [ 100 ] : 429 – 434
A graph with arcs showing the motion of charged particles q (bên trái) đang chuyển động với vận tốc v bên trong từ trường B có hướng vuông góc hướng đến người quan sát. Đối với electron, q mang điện âm sẽ chuyển động theo quỹ đạo cong hướng lên trên.Hạt mang điện tích ( bên trái ) đang hoạt động với vận tốcbên trong từ trườngcó hướng vuông góc hướng đến người quan sát. Đối với electron, mang điện âm sẽ hoạt động theo quỹ đạo cong hướng lên trên .Khi một electron hoạt động trong từ trường, nó chịu công dụng của lực Lorentz ảnh hưởng tác động theo phương vuông góc với mặt phẳng xác lập bởi vectơ từ trường và vectơ tốc độ của electron. Lực hướng tâm làm cho electron hoạt động trên một quỹ đạo xoắn ốc trong từ trường với nửa đường kính Larmor. Sự tần suất từ hoạt động theo đường cong ghềnh này làm cảm ứng electron phát ra nguồn năng lượng dưới dạng bức xạ đồng nhất. [ 89 ] : 160 [ 102 ] [ gc 7 ] Năng lượng bức xạ này làm hãm electron, hay còn gọi là lực Abraham – Lorentz – Dirac, tạo ra ma sát làm chậm hoạt động của electron. Lực này cũng gây ra tác động ảnh hưởng ngược ( back-reaction ) lên điện từ trường của chính electron. [ 103 ]
A curve shows the motion of the electron, a red dot shows the nucleus, and a wiggly line the emitted photon e bị lệch hướng gây bởi điện trường của một hạt nhân nguyên tử. Mức năng lượng thay đổi E2 − E1 xác định lên tần số f của photon phát ra.Bức xạ Bremsstrahlung sinh ra khi một electronbị lệch hướng gây bởi điện trường của một hạt nhân nguyên tử. Mức nguồn năng lượng thay đổixác định lên tần sốcủa photon phát ra .Trong điện động lực học lượng tử photon là hạt truyền tải tương tác điện từ giữa những hạt. Một electron đơn lẻ hoạt động với tốc độ đều không hề phát ra hay hấp thụ một photon thực ; do sẽ vi phạm định luật bảo toàn nguồn năng lượng và động lượng. Mặt khác, những photon ảo hoàn toàn có thể truyền động lượng giữa hai hạt mang điện tích. Sự trao đổi này của những photon ảo, ví dụ, làm tạo ra lực Coulomb. [ 104 ] Bức xạ nguồn năng lượng Open khi một electron hoạt động bị làm lệch quỹ đạo gây bởi điện trường của một hạt mang điện khác, như proton. Sự tần suất của electron làm phát ra bức xạ Bremsstrahlung. [ 105 ]

Một photon (ánh sáng) va chạm phi đàn hồi với một electron (tự do) được gọi là tán xạ Compton. Kết quả của va chạm này là động lượng và năng lượng được truyền qua giữa các hạt, làm thay đổi bước sóng của photon bằng một lượng được gọi là dịch chuyển Compton.[gc 8] Độ dịch chuyển lớn nhất của bước sóng bằng h/mec, hay còn gọi là bước sóng Compton.[106] Đối với một electron, nó có giá trị bằng 2,43 × 10−12 m.[73] Khi bước sóng của ánh sáng là dài (ví dụ bước sóng của ánh sáng khả kiến bằng 0,4–0,7 μm) sự dịch chuyển bước sóng có thể bỏ qua được. Trong trường hợp này, tương tác giữa ánh sáng và electron tự do được gọi là tán xạ Thomson hay tán xạ Thomson tuyến tính.[107]

Độ mạnh tương đối của tương tác điện từ giữa hai hạt điện tích, chẳng hạn giữa một electron và một proton, được xác định bởi hằng số cấu trúc tế vi. Đây là đại lượng không thứ nguyên hình thành dựa trên tỉ số của hai dạng năng lượng: năng lượng tĩnh điện của lực hút (hoặc đẩy) ở khoảng cách bằng một lần bước sóng Compton, và năng lượng nghỉ của các hạt mang điện tích. Nó có giá trị bằng α ≈ 7,297353 × 10−3, hay xấp xỉ bằng 1/137.[73]

Khi electron và positron va chạm, chúng hủy lẫn nhau, làm phát ra hai hoặc ba photon tia gamma. Nếu electron và positron có động lượng bỏ lỡ được, va chạm hoàn toàn có thể hình lên nguyên tử positronium trước khi hai hạt hủy lẫn nhau để hình ra những photon có tổng năng lượng 1,022 MeV. [ 108 ] [ 109 ] Mặt khác, một photon nguồn năng lượng cao hoàn toàn có thể đổi khác thành cặp electron và positron bởi quy trình sinh cặp ( pair production ), nhưng chỉ trong sự xuất hiện của một hạt điện tích gần nó, như một hạt nhân ví dụ điển hình. [ 110 ] [ 111 ]

Trong lý thuyết tương tác điện yếu, thành phần hàm sóng hướng bên trái (chiral) của electron tạo thành bộ đôi isospin yếu với neutrio electron. Điều này có nghĩa rằng trong tương tác yếu, neutrino electron hành xử như các electron. Mỗi loại hạt của bộ đôi này (doublet) có thể tham gia vào tương tác dòng tích (charged current) bằng cách phát ra hoặc hấp thụ một boson W và biến đổi sang thành hạt kia. Điện tích được bảo toàn trong quá trình này bởi vì boson W cũng mang điện tích, làm cho tổng điện tích của quá trình biến đổi là không thay đổi. Các tương tác dòng tích chịu trách nhiệm cho hiện tượng phân rã beta trong một nguyên tử phóng xạ. Cả electron và neutrino electron có thể tham gia vào tương tác dòng trung hòa (neutral current interaction) thông qua sự trao đổi một boson Z⁰
, và chịu trách nhiệm cho tán xạ đàn hồi neutrino−electron.[112]

Nguyên tử và phân tử[sửa|sửa mã nguồn]

A table of five rows and five columns, with each cell portraying a color-coded probability density Mật độ Phần Trăm so với một vài orbital nguyên tử hydro, được bộc lộ qua mặt phẳng cắt. Mức nguồn năng lượng của một electron link xác lập lên orbital nó chiếm giữ, và độ màu phản ánh Phần Trăm tìm thấy electron ở một vị trí xác lập .

Một electron có thể liên kết với hạt nhân của một nguyên tử bởi lực hút Coulomb. Một hệ có một hoặc nhiều electron liên kết với một hạt nhân được gọi là một nguyên tử. Nếu số electron khác với số điện tích của hạt nhân, nguyên tử đó được gọi là một ion. Hành xử dạng sóng của một electron liên kết được miêu tả bằng một hàm sóng gọi là orbital nguyên tử. Mỗi orbital đặc trưng bởi các số lượng tử như mức năng lượng, mômen động lượng và hình chiếu của mômen góc, và chỉ có các orbital rời rạc tồn tại xung quanh hạt nhân. Theo nguyên lý loại trừ Pauli mỗi orbital có thể chiếm giữ bởi tối đa hai electron, và chúng phải có số lượng tử spin khác nhau.

Electron hoàn toàn có thể nhảy sang những orbital khác nhau trải qua sự hấp thụ hoặc phát ra photon có nguồn năng lượng bằng hiệu giữa hai mức nguồn năng lượng đó. [ 113 ] Các chiêu thức khác làm electron chuyển sang orbital khác gồm có sự va chạm của nó với hạt khác, như những electron, và nhờ hiệu ứng Auger. [ 114 ] Để thoát ra khỏi nguyên tử, nguồn năng lượng của electron phải tăng và lớn hơn nguồn năng lượng link với nguyên tử. Điều này xảy ra, ví dụ, như ở hiệu ứng quang điện, khi một photon tới va chạm có nguồn năng lượng lớn hơn nguồn năng lượng ion hóa nguyên tử và bị electron hấp thụ. [ 115 ]Mômen góc orbital của electron bị lượng tử hóa. Bởi electron mang điện, nó có một mômen từ orbital tỷ suất với mômen góc. Tổng mômen từ của một nguyên tử bằng tổng vec tơ của mô men từ spin và mômen từ orbital của tổng thể những electron và hạt nhân. Mômen từ của hạt nhân là nhỏ so với của những electron. Mômen từ của những electron chiếm giữ cùng một orbital ( còn gọi là cặp electron ) triệt tiêu lẫn nhau. [ 116 ]Liên kết hóa học giữa những nguyên tử chính là tương tác điện từ giữa chúng, như miêu tả bởi những định luật của cơ học lượng tử. [ 117 ] Liên kết mạnh nhất hình thành bởi san sẻ hoặc cho / nhận những electron giữa những nguyên tử, dẫn đến hình thành lên những phân tử. [ 14 ] Bên trong một phân tử, những electron hoạt động dưới tác động ảnh hưởng của một vài hạt nhân, và chiếm giữ những orbital phân tử ; giống như chúng chiếm giữ những orbital trong một nguyên tử cô lập. [ 118 ] Một yếu tố cơ bản trong những cấu trúc phân tử đó là sự sống sót những cặp electron. Đây là những electron có spin ngược nhau, được cho phép chúng hoàn toàn có thể chiếm giữ cùng một orbital phân tử mà không vi phạm nguyên tắc loại trừ Pauli ( tựa như như ở nguyên tử ). Các orbital phân tử khác nhau có phân bổ tỷ lệ electron theo khoảng trống khác nhau. Ví dụ, ở những cặp electron link ( nghĩa là những cặp thực sự link những nguyên tử với nhau ) hoàn toàn có thể được tìm thấy với Xác Suất cực lớn nằm ở vùng thể tích tương đối nhỏ giữa những hạt nhân. Ngược lại, ở những cặp electron không link chúng phân bổ trong thể tích lớn hơn bao quanh hạt nhân. [ 119 ]
Four bolts of lightning strike the ground [120] Điện thế cần thiết cho tia sét có thể được tạo ra nhờ hiệu ứng điện ma sát.[121][122]Tia sét chứa chủ yếu dòng các electron.Điện thế cần thiết cho tia sét có thể được tạo ra nhờ hiệu ứng điện ma sát.Nếu một vật thể có nhiều hoặc ít hơn lượng electron thiết yếu để cân đối với điện tích dương của hạt nhân nguyên tử, thì toàn diện và tổng thể vật đó có mang điện tích. Khi có nhiều hơn electron, vật đó mang điện âm. Khi có ít electron hơn số lượng proton trong hạt nhân nguyên tử, vật mang điện dương. Khi số electron và proton bằng nhau, điện tích của chúng hủy lẫn nhau và vật thể ở trạng thái cân đối điện ( hay trung hòa ). Nhờ tác động ảnh hưởng cọ xát hoàn toàn có thể làm vật thể vĩ mô mang điện thông qua hiệu ứng điện ma sát ( triboelectric effect ). [ 123 ]

Các electron độc lập chuyển động trong chân không được gọi là các electron tự do. Các electron trong kim loại cũng hành xử như chúng chuyển động tự do. Thực sự thì các hạt được gọi là các electron trong kim loại và những thể rắn khác là những giả-electron—giả hạt, mà có cùng điện tích, spin, và mômen từ như các electron thực thụ nhưng có khối lượng khác với nó.[124] Khi các electron tự do—trong chân không lẫn kim loại—chuyển động, chúng tạo ra một dòng mạng lưới điện tích được gọi là dòng điện, từ đó tạo ra một từ trường. Giống như một dòng điện có thể được sinh ra từ sự thay đổi của một từ trường. Những tương tác và mối quan hệ này được miêu tả bởi phương trình Maxwell.[125]

Ở mỗi nhiệt độ nhất định, từng vật tư có một độ dẫn điện ảnh hưởng tác động đến giá trị của dòng điện khi áp vào một điện thế. Những vật dẫn điện tốt gồm có sắt kẽm kim loại như đồng và vàng, trong khi thủy tinh và Teflon lại dẫn điện kém. Ở bất kể vật tư cách điện nào, những electron vẫn bám vào những nguyên tử và vật tư có đặc thù như thể một chất cách điện. Hầu hết những chất bán dẫn có mức độ dẫn điện biến hóa từ khoanh vùng phạm vi dẫn điện cực tốt cho đến cách điện trọn vẹn. [ 126 ] Mặt khác, những sắt kẽm kim loại có cấu trúc dải điện tử chứa những vùng nguồn năng lượng được lấp đầy một phần bởi electron. Sự xuất hiện của những vùng nguồn năng lượng này được cho phép những electron trong sắt kẽm kim loại hành xử như chúng được tự do hoặc gọi là những electron phi định xứ ( delocalized electrons ). Những electron không link với một nguyên tử nhất định, do vậy khi vận dụng một điện trường, chúng hoạt động tự do như một chất khí ( được gọi là khí Fermi ) [ 127 ] đi qua vật tư giống như những electron tự do .Bởi vì có sự va chạm giữa những electron với những nguyên tử, tốc độ trôi của những electron trong một vật dẫn có độ lớn cỡ vài milimét trên một giây. Tuy nhiên, trường hợp có sự đổi khác dòng điện từ một điểm trong vật tư gây ra sự biến hóa dòng điện ở điểm khác trong vật tư, thì vận tốc Viral của hiệu ứng này, nổi bật bằng khoảng chừng 75 % vận tốc ánh sáng. [ 128 ] Điều này xảy ra do tại tín hiệu điện Viral như một sóng, với tốc độ nhờ vào vào hằng số điện môi của vật tư. [ 129 ]Đa số sắt kẽm kim loại có độ dẫn nhiệt tương đối tốt, đa phần chính do những electron phi định xứ luân chuyển nguồn năng lượng nhiệt tự do giữa những nguyên tử. Tuy nhiên, không giống như sự dẫn điện, sự dẫn nhiệt của một sắt kẽm kim loại gần như độc lập với nhiệt độ của vật tư. Điều này đã được phát biểu bằng định luật Wiedemann – Franz, [ 127 ] nói rằng tỉ số độ dẫn nhiệt trên độ dẫn điện tỷ suất thuận với nhiệt độ của vật tư. Sự mất trật tự bởi nhiệt trong dàn tinh thể nguyên tử sắt kẽm kim loại làm tăng điện trở của vật tư, tạo ra sự nhờ vào vào nhiệt độ so với dòng điện. [ 130 ]Khi làm lạnh vật tư xuống dưới một mức gọi là nhiệt độ tới hạn, vật tư trải qua sự chuyển pha trong đó nó mất trọn vẹn tính kháng điện ( điện trở ) so với dòng điện, hay chính là hiệu ứng siêu dẫn. Trong kim chỉ nan BCS, những cặp electron được gọi là cặp Cooper trong hoạt động của chúng bắt cặp với nguyên tử gần đấy trải qua những xê dịch dàn nguyên tử gọi là phonon, do đó cặp Cooper tránh được va chạm với những nguyên tử mà thường tạo ra điện trở. [ 131 ] ( Các cặp Cooper có nửa đường kính giao động bằng 100 nm, do đó nếu coi chúng như sóng vật chất thì chúng hoàn toàn có thể chồng chập lẫn nhau. ) [ 132 ] Tuy nhiên, chính sách cho hiệu ứng siêu dẫn nhiệt độ cao ở một số ít vật tư vẫn chưa có triết lý lý giải thỏa đáng. [ 133 ]Các electron bên trong vật dẫn, mà chính chúng cũng là những giả hạt, khi đặt trong nhiệt độ rất gần với độ không tuyệt đối, hoàn toàn có thể được phân ra thành ba loại giả hạt : spinon, orbiton và holon. Hạt tiên phong mang spin và mômen từ, hạt tiếp theo mang vị trí orbital của nó trong khi hạt còn lại mang điện tích. [ 134 ] [ 135 ] [ 136 ]

Chuyển động và nguồn năng lượng[sửa|sửa mã nguồn]

Theo thuyết tương đối hẹp của Einstein, khi tốc độ của một electron tiệm cận tới tốc độ ánh sáng, người quan sát từ một hệ quy chiếu quán tính sẽ đo được khối lượng tương đối tính của hạt tăng lên, do đó khiến cho nó càng khó để có thể gia tốc nó từ bên trong hệ quy chiếu của người quan sát. Tốc độ của một electron có thể tiếp cận đến, nhưng không bao giờ bằng, tốc độ của ánh sáng trong chân không, c. Tuy nhiên, khi các electron tương đối tính—là những electron chuyển động với tốc độ gần bằng c—chuyển động trong môi trường điện môi như nước, nơi vận tốc ánh sáng trong nó nhỏ hơn nhiều so với c, các electron trong môi trường này có thể chuyển động nhanh hơn tốc độ ánh sáng. Khi chúng tương tác va chạm với môi trường, chúng tạo ra một ánh sáng nhạt được gọi là bức xạ Cherenkov.[137]

The plot starts at zero and curves sharply upward toward the right v tiệm cận tới c.Hệ số Lorentz là một hàm số theo tốc độ. Nó mở màn từ giá trị 1 và tiến tới vô hạn khitiệm cận tới

Các hiệu ứng trong thuyết tương đối hẹp được miêu tả dựa trên một đại lượng gọi là hệ số Lorentz, được xác định bằng

γ
=
1

/

1
−

v

2

/

c

2

{\displaystyle \scriptstyle \gamma =1/{\sqrt {1-{v^{2}}/{c^{2}}}}}

{\displaystyle \scriptstyle \gamma =1/{\sqrt {1-{v^{2}}/{c^{2}}}}} với v là tốc độ của hạt. Động năng Ke của một electron chuyển động với vận tốc v bằng:

K e = ( γ − 1 ) m e c 2, { \ displaystyle \ displaystyle K_ { \ mathrm { e } } = ( \ gamma – 1 ) m_ { \ mathrm { e } } c ^ { 2 }, }{\displaystyle \displaystyle K_{\mathrm {e} }=(\gamma -1)m_{\mathrm {e} }c^{2},}

với me là khối lượng của electron. Ví dụ, ở máy gia tốc thẳng Stanford có thể gia tốc một electron tới động năng gần bằng 51 GeV.[138] Vì một electron hành xử như dạng sóng, ở một vận tốc bất kỳ nó có một bước sóng de Broglie đặc trưng. Bước sóng này được cho bởi λe = h/p với h là hằng số Planck và p là động lượng.[53] Đối với electron có động năng 51 GeV ở trên, bước sóng de Broglie bằng 2,4 × 10−17 m, đủ nhỏ để khám phá các cấu trúc có kích thước nhỏ hơn kích cỡ của một hạt nhân nguyên tử.[139]

Sự hình thành[sửa|sửa mã nguồn]

A photon approaches the nucleus from the left, with the resulting electron and positron moving off to the right [140]Sự sinh cặp của một electron và một positron, do một photon chuyển động đến gần một hạt nhân. Ký hiệu tia chớp biểu diễn sự trao đổi của một photon ảo, hay như là một tác động của lực điện. Góc giữa các hạt là rất nhỏ.Lý thuyết Vụ Nổ Lớn là kim chỉ nan khoa học được gật đầu thoáng rộng lúc bấy giờ miêu tả những tiến trình khởi đầu của sự tiến hóa của Vũ trụ. [ 141 ] Ở những miligiây tiên phong sau Vụ Nổ Lớn, nhiệt độ trên 10 tỷ kelvin và những photon có nguồn năng lượng trung bình trên một triệu electronvolt. Các photon này có đủ nguồn năng lượng mà khi tương tác với nhau hoàn toàn có thể dẫn tới sự hình thành cặp electron và positron. Ngược lại, những cặp positron − electron hủy lẫn nhau và phát ra những photon nguồn năng lượng cao :
Trạng thái cân đối giữa những electron, positron và photon được duy trì trong suốt tiến trình này của sự tiến hóa Vũ trụ. Khi 15 giây trôi qua, tuy nhiên, nhiệt độ của Vũ trụ lúc này giảm xuống dưới ngưỡng được cho phép hình thành cặp hạt electron − positron. Phần lớn những electron và positron sống sót hủy lẫn nhau, giải phóng bức xạ gamma làm Vũ trụ nóng lên trong một thời hạn ngắn. [ 142 ]Vì một nguyên do nào đó chưa được biết chắc như đinh, trong suốt quy trình hủy cặp có sót lại một số lượng hạt nhiều hơn phản hạt vật chất. Cụ thể là có dư ra 1 electron sống sót trong mỗi 1 tỷ cặp hạt electron − positron. Số lượng dư sót lại này bằng với số lượng proton còn dư từ quy trình hủy cặp hạt tương tự như proton và phản proton, trong một điều kiện kèm theo được gọi là bất đối xứng baryon, điều này mang đến tổng điện tích của hàng loạt Vũ trụ gần như bằng zero. [ 143 ] [ 144 ] Những proton và neutron còn dư lại mở màn tham gia vào những phản ứng với nhau — quy trình gọi là tổng hợp hạt nhân, tạo ra những đồng vị của hydro và heli, và một chút ít hạt nhân lithi. Các phản ứng này đạt đỉnh điểm vào khoảng chừng thời hạn ở sau năm phút. [ 145 ] Bất kỳ neutron còn lại nào sẽ trải qua phản ứng phân rã beta âm với nửa thời hạn sống bằng khoảng chừng một nghìn giây, giải phóng ra một proton và một electron ,
Trong khoảng chừng 300.000 – 400.000 năm tiếp theo, lượng những hạt electron còn lại có nguồn năng lượng quá lớn để hoàn toàn có thể link vào những hạt nhân nguyên tử. [ 146 ] Giai đoạn tiếp theo là sự tái kếp hợp electron vào hạt nhân, khi ấy những nguyên tử trung hòa được hình thành và sự co và giãn của thiên hà làm cho vật chất trở lên trong suốt với bức xạ. [ 147 ]Gần một triệu năm sau Vụ Nổ Lớn, thế hệ những ngôi sao tiên phong mở màn hình thành. [ 147 ] Trong lòng một ngôi sao 5 cánh, dây chuyền sản xuất phản ứng tổng hợp hạt nhân sao cho ra những mẫu sản phẩm trong đó có positron. Những hạt phản vật chất này ngay lập tức hủy với những electron, giải phóng tia gamma. Gộp chung lại số lượng hạt electron bị giảm dần, và tương ứng số lượng hạt neutron tăng lên. Tuy nhiên, trong quy trình tiến hóa sao cũng hình thành những mẫu sản phẩm là những đồng vị phóng xạ. Các đồng vị này hoàn toàn có thể sau đó trải qua phân rã beta trừ, phát ra một electron và một phản neutrino từ hạt nhân. [ 148 ] Một ví dụ là đồng vị cobalt-60 ( 60C o ), mà phân rã thành nickel-60 ( 60N i ). [ 149 ]
A branching tree representing the particle production Một chuỗi mưa những hạt tạo bởi tia vũ trụ nguồn năng lượng cao va chạm vào bầu khí quyển Trái Đất .Cuối quy trình tiến hóa của chúng, một ngôi sao 5 cánh có khối lượng lớn hơn 20 lần khối lượng Mặt Trời đi đến kết cục suy sụp mê hoặc để tạo thành một lỗ đen. [ 150 ] Theo vật lý cổ xưa, bên trong những ngôi sao 5 cánh khối lượng lớn này Open lực hút mê hoặc đủ mạnh để ngăn bất kể thứ gì, kể cả bức xạ điện từ, thoát ra khỏi nửa đường kính Schwarzschild. Tuy nhiên, những hiệu ứng của cơ học lượng tử được cho phép có năng lực sống sót bức xạ Hawking ở khoanh vùng phạm vi khoảng cách này. Các electron ( và positron ) được cho là tạo ra ở chân trời sự kiện của những tàn dư sao .Khi một cặp hạt ảo ( như gồm một electron và một positron ) được tạo ra tại biên giới của chân trời sự kiện, sự phân bổ ngẫu nhiên trong vị trí của hạt hoàn toàn có thể làm cho một trong hai hạt nằm ở bên trong chân trời sự kiện ; mà quy trình này được gọi là sự xuyên hầm lượng tử. Thế năng mê hoặc của lỗ đen hoàn toàn có thể cấp nguồn năng lượng để biến một hạt ảo nằm bên ngoài chân trời sự kiện trở thành một hạt thực, được cho phép nó bật phóng ra vào khoảng trống. [ 151 ] Đổi lại, hạt còn lại của cặp mang nguồn năng lượng âm và rơi về vùng lạ mắt lỗ đen, dẫn đến tổng số khối lượng − nguồn năng lượng của lỗ đen bị giảm đi. Tốc độ bức xạ Hawking tăng tiến khi khối lượng lỗ đen giảm dần, làm cho lỗ đen bốc hơi và sau cuối là tiếng nổ. [ 152 ]Tia vũ trụ là những hạt hoạt động trong khoảng trống với nguồn năng lượng cao. Các sự kiện nguồn năng lượng cao đến cỡ 3,0 × 1020 eV đã được ghi nhận. [ 153 ] Khi những hạt này va chạm với những nucleon trong khí quyển Trái Đất, một trận mưa những hạt được tạo ra, gồm có những pion. [ 154 ] Hơn một nửa bức xạ thiên hà được quan sát trên bề mặt Trái Đất có chứa những muon. Muon là một hạt loại lepton hình thành tại thượng tầng khí quyển sau quy trình phân rã của một pion .
Đến lượt muon, nó hoàn toàn có thể phân rã thành electron hoặc positron. [ 155 ]
Quan sát electron từ xa yên cầu việc đo được nguồn năng lượng bức xạ của chúng. Ví dụ, trong môi trường tự nhiên nguồn năng lượng cao như ở vành nhật hoa của một ngôi sao 5 cánh, những electron tự do tạo thành trạng thái plasma phát ra nguồn năng lượng dưới dạng bức xạ Bremsstrahlung. Khí electron hoàn toàn có thể bộc lộ giao động plasma, đó là những sóng gây bởi những đổi khác đồng điệu trong tỷ lệ electron, và những sóng này tạo ra phát xạ nguồn năng lượng hoàn toàn có thể phát hiện được nhờ quan sát qua kính thiên văn vô tuyến. [ 157 ]Tần số của một photon tỷ suất với nguồn năng lượng của nó. Khi một electron link trong nguyên tử chuyển trạng thái giữa những mức nguồn năng lượng khác nhau, nó hấp thụ hoặc phát ra photon ở những tần số đặc trưng. Ví dụ, khi chiếu nguồn bức xạ phổ liên tục vào những nguyên tử sẽ Open những vạch phổ hấp thụ đặc trưng trong quang phổ của bức xạ phản xạ. Mỗi nguyên tố hoặc phân tử biểu lộ một lớp đặc trưng những vạch quang phổ, như những vạch quang phổ hydro. Những phép đo lường quang phổ về cường độ và bề rộng của những vạch này được cho phép xác lập được thành phần và đặc thù vật lý của một chất cần xác lập. [ 158 ] [ 159 ]Trong điều kiện kèm theo của phòng thí nghiệm, hoàn toàn có thể quan sát tương tác của từng electron đơn lẻ nhờ những máy gia tốc hạt nhân, mà cho phép đo những đặc thù đơn cử như nguồn năng lượng, spin và điện tích. [ 115 ] Nhờ sự tăng trưởng của những kỹ thuật bẫy ion như bẫy Paul và bẫy Penning cho phép giam giữ những hạt mang điện trong một thể tích đủ nhỏ với thời hạn dài. Điều này đã cho phép thống kê giám sát những đặc thù cũng như thao tác lên những hạt này. Ví dụ, bẫy Penning từng được ứng dụng để chứa một electron đơn lẻ trong thời hạn 10 tháng. [ 160 ] Mômen từ của electron đã được đo với độ đúng chuẩn đến 11 chữ số thập phân mà vào năm 1980, độ đúng mực này còn lớn hơn độ đúng chuẩn đo được của bất kể những hằng số vật lý khác. [ 161 ]Bộ phim chụp ảnh tiên phong về sự phân bổ nguồn năng lượng của electron đã được triển khai bởi một đội những nhà vật lý tại Đại học Lund ở Thụy Điển vào tháng 2 năm 2008. Họ đã sử dụng một xung nhịp ánh sáng cực ngắn, hay gọi là những xung atto giây, được cho phép lần tiên phong chụp ảnh được hoạt động của một electron. [ 162 ] [ 163 ]Sự phân bổ của những electron trong chất rắn hoàn toàn có thể được bộc lộ nhờ kỹ thuật chụp quang phổ bức xạ phân giải góc ( angle-resolved photoemission spectroscopy, ARPES ). Kỹ thuật này ứng dụng hiệu ứng quang điện để đo hàm phân bổ khoảng trống giàn tinh thể — một hàm toán học trình diễn đặc tính cấu trúc tuần hoàn được vận dụng để suy đoán ra cấu trúc bắt đầu của tinh thể. ARPES được ứng dụng để xác lập hướng, vận tốc và sự tán xạ của những electron bên trong vật tư. [ 164 ]

Các ứng dụng plasma[sửa|sửa mã nguồn]

Trong công nghệ tiên tiến và kỹ thuật, những chùm tia electron đã được ứng dụng để triển khai hàn bằng chùm electron giữa hai loại vật tư. [ 166 ] Chúng được cho phép tỷ lệ nguồn năng lượng của chùm tia hàn lên tới 107 W · cm − 2 được tập trung chuyên sâu trong một hình nón tròn đường kính cỡ 0,1 – 1,3 mm mà thường không cần yên cầu phải có lớp vật tư đệm thứ 3. Kỹ thuật hàn này phải được triển khai trong chân không để tránh những electron va chạm với một trường khí xung quanh trước khi chúng đến được vật tư cần hàn, và nó hoàn toàn có thể được sử dụng để nối những loại vật tư dẫn điện mà những giải pháp hàn khác không tương thích để vận dụng. [ 167 ] [ 168 ]Quang khắc chùm điện tử ( EBL ) là giải pháp tạo những cụ thể bán dẫn ở mức phân giải nhỏ hơn 1 µm. [ 169 ] Kỹ thuật này có hạn chế là giá tiền cao, vận tốc sản xuất chậm, cần phải quản lý và vận hành chùm điện tử trong thiên nhiên và môi trường chân không cao và những electron có xu thế tán xạ trên mặt phẳng vật tư. Độ phân giải tối đa của chiêu thức này vào khoảng chừng 10 nm. Vì nguyên do này, EBL được ứng dụng đa phần cho sản xuất một số ít nhỏ những vi mạch chuyên biệt. [ 170 ]Phương pháp giải quyết và xử lý chùm điện tử ( electron-beam processing, hoặc electron irradiation EBI ) được ứng dụng để làm biến hóa những đặc tính của vật tư hoặc khử trùng trong y học và thực phẩm bằng cách chiếu chùm điện tử vào mẫu sản phẩm. [ 171 ] Chùm electron hóa lỏng hoặc làm tan chảy thủy tinh mà không gây tăng nhiều nhiệt độ khi triển khai chiếu với cường độ cao : ví dụ bức xạ electron mạnh gây ra sự giảm độ nhớt ở nhiều bậc độ lớn và làm giảm từng bước nguồn năng lượng hoạt hóa của nó. [ 172 ]Các máy gia tốc quỹ đạo thẳng ( linear particle accelerator ) tạo ra những chùm electron cho chùm sáng dùng để điều trị những khối u trên mặt phẳng trong trị liệu bức xạ. Trị liệu điện tử ( electron therapy ) hoàn toàn có thể điều trị những thương tổn ở da như ung thư tế bào đáy do tại một chùm electron chỉ hoàn toàn có thể xâm nhập xuống một độ sâu nhất định trước khi bị hấp thụ, thường là đến 5 cm so với electron có nguồn năng lượng trong khoanh vùng phạm vi 5 – 20 MeV. Một chùm electron hoàn toàn có thể được sử dụng phối hợp với chiếu xạ tia X trong điều trị bệnh. [ 173 ] [ 174 ]Các máy gia tốc hạt sử dụng điện trường để đẩy những electron và phản hạt của chúng lên mức nguồn năng lượng cao. Những hạt này phát ra bức xạ đồng điệu khi chúng bay qua từ trường. Cường độ của bức xạ đồng điệu nhờ vào vào phân cực spin của chùm electron — quy trình được gọi là hiệu ứng Sokolov – Ternov. [ gc 9 ] Các chùm electron phân cực được ứng dụng trong nhiều thí nghiệm khác nhau. Bức xạ synchrotron hoàn toàn có thể dùng làm mát chùm electron với mục tiêu làm giảm sự phân tán động lượng của chùm hạt. Các chùm electron và positron được cho va chạm với nhau trong máy gia tốc khi chúng đạt đến mức nguồn năng lượng nhu yếu ; những máy dò hạt ( particle detector ) quan sát nguồn năng lượng của bức xạ phát ra, ghi lại những thông tin và đặc thù cần nghiên cứu và điều tra trong vật lý hạt. [ 175 ]
Nhiễu xạ electron nguồn năng lượng thấp ( Low-energy electron diffraction, LEED ) là một chiêu thức bắn vào vật tư có cấu trúc tinh thể bằng một chùm electron chuẩn trực sau đó quan sát hình ảnh nhiễu xạ giúp xác lập lên cấu trúc của vật tư. Năng lượng yên cầu của những electron ở những chùm này trong khoảng chừng 20 – 200 eV. [ 176 ] Kỹ thuật phản xạ nhiễu xạ electron nguồn năng lượng cao ( reflection high-energy electron diffraction, RHEED ) sử dụng sự phản xạ của một chùm electron bắn đến với nhiều góc hẹp khác nhau để điều tra và nghiên cứu đặc trưng mặt phẳng của vật tư có cấu trúc tinh thể. Chùm nguồn năng lượng thường nằm trong khoảng chừng 8 – 20 keV và góc bắn electron thường bằng 1 – 4 °. [ 177 ] [ 178 ]Kính hiển vi điển tử hoạt động giải trí dựa trên nguyên tắc tập trung chuyên sâu chùm electron vào một vật mẫu. Một số electron sau khi va chạm vào vật mẫu thì bị biến hóa đặc tính, như hướng hoạt động, góc phản xạ và pha tương đối cũng như nguồn năng lượng bị giảm đi. Các nhà hiển vi học ghi lại những biến hóa này từ chùm electron để tái tạo ra những bức ảnh về vật mẫu. [ 179 ] Trong ánh sáng xanh lam, những kín hiển vi quang học thường thì có số lượng giới hạn nhiễu xạ phân giải ở kích cỡ 200 nm. [ 180 ] So sánh với kính hiển vi điện tử, loại này bị số lượng giới hạn bởi bước sóng de Broglie của electron. Ví dụ, bước sóng này bằng 0,0037 nm so với những electron được tần suất trong điện trường cỡ 100.000 volt. [ 181 ] Kính hiển vi truyền điện tử hiệu chỉnh quang sai ( Transmission Electron Aberration-Corrected Microscope ) có độ phân giải dưới 0,05 nm, đủ để phân biệt được từng nguyên tử. [ 182 ] Khả năng này mang lại những lợi thế cho sử dụng kính hiển vi điện tử trong phòng thí nghiệm để chụp những bức ảnh có độ phân giải cao. Tuy nhiên, kính hiển vi điện tử là những thiết bị đắt tiền và tốn nhiều ngân sách hoạt động giải trí và bảo dưỡng .Có hai loại kính hiển vi điện tử : Loại truyền qua và loại quét mặt phẳng. Kính hiển vi điện tử truyền qua hoạt động giải trí giống như một máy chiếu, với một chùm electron được cho chiếu qua một lát vật tư sau đó nó được quy tụ trên phim âm bản hoặc cảm ứng CCD. Kính hiển vi điện tử quét mặt phẳng dùng chùm electron quét lên mặt phẳng vật mẫu, giống như hiển thị trên ti vi màn hình hiển thị ống, để thu được bức ảnh về nó. Độ phóng đại của hai loại kính này vào cỡ 100 × đến một triệu. Kính hiển vi quét xuyên hầm sử dụng hiệu ứng chui hầm lượng tử của electron từ mũi nhọn của một đầu dò sắt kẽm kim loại để nghiên cứu và điều tra vật tư và tạo ra bức ảnh mặt phẳng vật tư có độ phân giải cao. [ 183 ] [ 184 ] [ 185 ]

Các ứng dụng khác[sửa|sửa mã nguồn]

Trong laser electron tự do ( FEL ), một chùm electron tương đối tính đi qua dãy những nam châm từ lưỡng cực ( undulator ) bị đổi hướng luân phiên do hướng của từ trường tạo bởi dãy những nam châm từ này. Vì đổi hướng luân phiên như vậy nên những electron phát ra bức xạ synchrotron một cách uyển chuyển và đều đặn, bức xạ được khuếch đại ở tần số cộng hưởng. FEL hoàn toàn có thể phát ra bức xạ điện từ với độ rọi cao trong dải tần số rộng, từ sóng vi ba cho đến tia X mềm. Những thiết bị này được sử dụng trong sản xuất, viễn thông, và trong những ứng dụng y tế, như phẫu thuật những mô mềm. [ 186 ]Ống tia âm cực chứa electron, mà đã từng được sử dụng tiếp tục cho những màn hình hiển thị hiển thị tại nhiều thiết bị thí nghiệm, màn hình hiển thị máy tính và máy truyền hình. [ 187 ] Trong một đèn nhân quang điện, mỗi photon va chạm đến âm cực quang khởi tạo ra một luồng những electron để hình thành một xung dòng điện mà bộ dò phát hiện được. [ 188 ] Ống điện tử chân không sử dụng luồng những electron để thao tác lên tín hiệu điện, và chúng đóng vai trò quan trọng trong sự tăng trưởng của công nghệ tiên tiến điện tử. Tuy nhiên, ngày này chúng đã bị thay thế sửa chữa bởi những thiết bị bán dẫn như transistor. [ 189 ]

  1. ^

    Mẫu số trong dạng phân số là nghịch đảo của giá trị thập phân (cùng với độ đo chuẩn tương đối của nó là 4,2 × 10 − 13 u).

  2. ^ Điện tích của electron là giá trị âm của điện tích cơ bản, và giá trị dương tương ứng cho giá trị điện tích của proton .
  3. ^ Lưu ý rằng những tài liệu trước kia sử dụng tỷ số điện tích − khối lượng thay vì quy ước lúc bấy giờ là dùng tỷ số khối lượng − điện tích .
  4. ^
    S = s ( s + 1 ) ⋅ h 2 π = 3 2 ℏ { \ displaystyle { \ begin { alignedat } { 2 } S và = { \ sqrt { s ( s + 1 ) } } \ cdot { \ frac { h } { 2 \ pi } } \ \ và = { \ frac { \ sqrt { 3 } } { 2 } } \ hbar \ \ \ end { alignedat } } }{\displaystyle {\begin{alignedat}{2}S&={\sqrt {s(s+1)}}\cdot {\frac {h}{2\pi }}\\&={\frac {\sqrt {3}}{2}}\hbar \\\end{alignedat}}}

    cho số lượng tử s =

    1/2

    .
    Xem: Gupta (2001).Độ lớn này có được từ số lượng tử spin vớicho số lượng tửXem : Gupta ( 2001 ) .

  5. ^
    μ B = e ℏ 2 m e. { \ displaystyle \ textstyle \ mu _ { \ mathrm { B } } = { \ frac { e \ hbar } { 2 m_ { \ mathrm { e } } } }. }{\displaystyle \textstyle \mu _{\mathrm {B} }={\frac {e\hbar }{2m_{\mathrm {e} }}}.}

    Bohr magneton :

  6. ^ E = mc2).
    Từ lý thuyết r và điện tích e được cho bởi:

    E p = e 2 8 π ε 0 r, { \ displaystyle E_ { \ mathrm { p } } = { \ frac { e ^ { 2 } } { 8 \ pi \ varepsilon _ { 0 } r } }, }{\displaystyle E_{\mathrm {p} }={\frac {e^{2}}{8\pi \varepsilon _{0}r}},}

    với ε0 là m0, năng lượng nghỉ bằng:

    E p = m 0 c 2, { \ displaystyle \ textstyle E_ { \ mathrm { p } } = m_ { 0 } c ^ { 2 }, }{\displaystyle \textstyle E_{\mathrm {p} }=m_{0}c^{2},}

    trong đó c là tốc độ ánh sáng trong chân không. Đặt hai vế bằng nhau và tìm giá trị r thu được bán kính electron cổ điển.
    Xem: Haken, Wolf & Brewer (2005).Bán kính electron cổ xưa được rút ra như sau. Giả sử rằng điện tích của electron phân bổ đồng đều trên một khối cầu. Vì một phần của khối cầu sẽ đẩy phần khác, do vậy khối cầu chứa thế năng tĩnh điện. Năng lượng này được giả sử là bằng với nguồn năng lượng nghỉ của electron, được định nghĩa theo thuyết tương đối hẹp ( ). Từ triết lý tĩnh điện học thế năng của một quả cầu với bán kínhvà điện tíchđược cho bởi : vớilà hằng số điện ( vacuum permittivity ). Đối với một electron có khối lượng nghỉ, nguồn năng lượng nghỉ bằng : trong đólà vận tốc ánh sáng trong chân không. Đặt hai vế bằng nhau và tìm giá trịthu được nửa đường kính electron cổ xưa. Xem : Haken, Wolf và Brewer ( 2005 ) .

  7. ^ Bức xạ từ electron phi tương đối tính đôi lúc được gọi là bức xạ cyclotron ( cyclotron radiation ) .
  8. ^ λ, phụ thuộc vào góc bật ra, θ, như sau,
    Δ λ = h m e c ( 1 − cos ⁡ θ ), { \ displaystyle \ textstyle \ Delta \ lambda = { \ frac { h } { m_ { \ mathrm { e } } c } } ( 1 – \ cos \ theta ), }{\displaystyle \textstyle \Delta \lambda ={\frac {h}{m_{\mathrm {e} }c}}(1-\cos \theta ),}

    với c là tốc độ ánh sáng trong chân không và me khối lượng electron. Xem Zombeck (2007: 393, 396).Sự biến hóa trong bước sóng, Δ, phụ thuộc vào vào góc bật ra, , như sau, vớilà vận tốc ánh sáng trong chân không vàkhối lượng electron. Xem Zombeck ( 2007 : 393, 396 ) .

  9. ^ Sự phân cực của một chùm electron có nghĩa là spin của mọi electron chỉ theo cùng một hướng. Nói cách khác, hình chiếu spin của mọi electron lên vectơ động lượng của chúng có cùng dấu .

Liên kết ngoài[sửa|sửa mã nguồn]

Có thể bạn quan tâm

Bài viết mới

Những Dịch Vụ Chất Lượng

Điện Lạnh Bách KHoa

Điện Lạnh Bách KHoa

© Copyright 2008 - 2016 Dịch Vụ Bách khoa Sửa Chữa Chuyên nghiệp.
Alternate Text Gọi ngay