Elétron

Elétron

Estimativas teóricas da densidade de elétrons para os primeiros orbitais de elétrons átomo de hidrogénio mostradas como secções transversais com código de cores de densidade de probabilidade
Composição	Partícula elementar
Estatística	Fermion
Geração	Primeiro
Interações	Gravidade , eletromagnética , Fraco
Símbolo	e -, β -
Antipartícula	Pósitron
Teorizou	G. Johnstone Stoney (1874)
Descoberto	JJ Thomson (1897)
Massa	9,109   382   15 (45) × 10 -31 kg 5.485   799   09 (27) 10 -4 × u 1 / 1822,888   4843 (11) u 0.510   998   918 (44) MeV / c 2
Carga elétrica	-1,602   176   487 (40) × 10 -19 C
Rotação	½

O elétron é uma fundamental partícula subatômica que carrega uma negativa carga elétrica . É um spin ½ leptão que participa em interacções electromagnéticos , e a sua massa é de aproximadamente do que a do protão . Juntamente com os núcleos atômicos , que consistem em prótons e nêutrons , elétrons formam átomos. Sua interação com núcleos adjacentes é a principal causa da ligação química .

História

O nome de elétron vem da palavra grega para âmbar , ήλεκτρον. Este material teve um papel essencial na descoberta dos fenómenos eléctricos. Os antigos gregos sabiam, por exemplo, que esfregar um pedaço de âmbar com pele deixou uma carga elétrica em sua superfície, o que poderia, então, criar uma faísca quando levado para perto de um objeto aterrado. Para saber mais sobre a história do termo eletricidade, ver História da eletricidade.

O elétron como uma unidade de carga em eletroquímica foi posta por G. Johnstone Stoney em 1874, que também cunhou o termo elétron em 1894.

Neste trabalho foi feita uma estimativa do valor real dessa unidade fundamental mais notável de eletricidade, para o qual eu tenho uma vez que se aventurou a sugerir o nome de elétrons.

- Stoney, George Johnstone (Outubro de 1894). "Do" Electron ", ou Atom de Energia Elétrica". Revista Filosófica 38 (5): 418-420. http://dbhs.wvusd.k12.ca.us/webdocs/Chem-History/Stoney-1894.html.

Durante o final dos anos 1890 um número de físicos postulou que a eletricidade poderia ser concebida como sendo feito de unidades discretas, que receberam uma variedade de nomes, mas a realidade destas unidades não foi confirmada de forma convincente.

A descoberta de que o electrão era um partícula subatômica foi feita em 1897 por JJ Thomson no Cavendish Laboratory na Universidade de Cambridge , enquanto ele estava estudando tubos de raios catódicos. Um tubo de raios catódicos é um cilindro de vidro fechado, no qual dois eléctrodos são separadas por um vácuo. Quando é aplicada uma tensão através dos eléctrodos, os raios catódicos são gerados, fazendo com que o tubo a brilhar. Através da experimentação, Thomson descobriu que a carga negativa não podiam ser separados dos raios (através da aplicação de magnetismo), e que os raios pode ser desviada por um campo eléctrico. Ele concluiu que estes raios, em vez de ser ondas, era composto de partículas carregadas negativamente ele chamou de "corpúsculos". Mediu sua razão massa-carga e verificou-se ser mais de mil vezes menor do que a de um ião de hidrogénio, sugerindo que eles eram ou muito altamente carregada ou muito pequena em massa. Experimentos posteriores por outros cientistas confirmou a última conclusão. A sua razão de massa-para-carga também era independente da escolha do material do cátodo e o gás originalmente no tubo de vácuo. Isso levou Thomson concluir que eles eram universal entre todos os materiais.

Carga do elétron foi cuidadosamente medido pelo RA Millikan na sua experimento de 1909 óleo-drop.

A lei periódica afirma que as propriedades químicas dos elementos em grande parte se repetem periodicamente e é a base da tabela periódica de elementos. A própria lei foi inicialmente explicado pela massa atómica do elemento. No entanto, como não havia anomalias na tabela periódica, foram feitos esforços para encontrar uma melhor explicação para isso. Em 1913, Henry Moseley introduziu o conceito de número atômico e explicou a lei periódica em termos do número de prótons cada elemento tem. No mesmo ano, Niels Bohr mostrou que os elétrons são a base real da tabela. Em 1916, Gilbert Newton Lewis explicou a ligação química de elementos por interações eletrônicas.

Classificação

O elétron está na classe de partículas subatômicas chamadas léptons, que se acredita ser partículas fundamentais.

Tal como acontece com todas as partículas, os electrões também pode agir como ondas. Isso é chamado de dualidade onda-partícula , também conhecido pelo termo complementaridade cunhado por Niels Bohr , e pode ser demonstrada utilizando o experiência da dupla fenda.

A antipartícula do elétron é o pósitron, que tem carga positiva do que negativa. O descobridor do pósitron, Carl D. Anderson, proposto chamando elétrons negatrons padrão e usando elétron como um termo genérico para descrever ambas as variantes positivamente e negativamente carregadas. Esse uso é ocasionalmente encontrada hoje.

Propriedades e comportamento

Os elétrons possuem uma carga elétrica de -1,6021765 × 10 ^-19 Coulomb, uma massa de 9.11 × 10 ^-31 kg com base em medições de carga / massa e um relativista massa de repouso de cerca de 0,511 MeV / c ². A massa do electrão é de aproximadamente _^1/1836 da massa do protão . O símbolo comum elétron é e ^-. Electron significa vida é 4.6x10> ²⁶ anos (ver Decaimento de partículas).

De acordo com a mecânica quântica , os elétrons podem ser representados por funções de onda, a partir da qual uma calculados probabilística densidade de electrões pode ser determinada. O orbital de cada elétron em um átomo pode ser descrita por uma função de onda. Baseado no Princípio da incerteza de Heisenberg, o exato momento ea posição do elétron real não pode ser simultaneamente determinadas. Esta é uma limitação que, neste caso, simplesmente que a maior precisão sabemos posição de uma partícula, a menos que podemos saber com precisão a sua dinâmica, e vice-versa.

O elétron tem spin ½ e é um fermion (segue- Fermi-Dirac estatísticas). Além de seu momento angular intrínseco, um elétron tem um intrínseco momento magnético ao longo do seu eixo de rotação.

Elétrons em um átomo são obrigados a esse átomo, enquanto os elétrons se movem livremente no vácuo, espaço ou certos meios de comunicação são elétrons livres que podem ser focados em uma feixe de elétrons. Quando electrões livres se move, existe um fluxo líquido de encargos, e este fluxo é chamado de corrente elétrica. O velocidade de deriva de electrões em fios metálicos é da ordem de milímetros por segundo. No entanto, a velocidade à qual uma corrente a um ponto em um fio faz com que uma corrente em outras partes do fio, o velocidade de propagação, é tipicamente 75% da velocidade da luz.

Em alguns supercondutores , os elétrons se movem pares de como Pares de Cooper em que seu movimento está acoplado a matéria próxima via vibrações da rede chamados fônons. A distância de separação entre pares de Cooper é de aproximadamente 100 nm. (Rohlf, JW)

Um corpo tem uma carga eléctrica que, quando o corpo tem mais ou menos electrões que são necessários para equilibrar a carga positiva dos núcleos. Quando há um excesso de electrões, o objectivo é dito ser carregado negativamente. Quando há menos do que electrões protões , o objecto é dito para ser carregado positivamente. Quando o número de elétrons eo número de prótons são iguais, se anulam mutuamente suas taxas eo objeto é dito ser eletricamente neutro. A macroscópica corpo pode desenvolver uma carga elétrica através de fricção, pela fenômeno da triboelectricity.

Quando os elétrons e pósitrons colidem, elas aniquilam mutuamente e produzir pares de de alta energia fótons e outras partículas. Por outro lado, fotões de alta energia pode transformar em um electrão e um positrão por um processo chamado produção de pares, mas apenas na presença de uma partícula carregada nas proximidades, tal como um núcleo.

O elétron é atualmente descrito como um partícula fundamental ou elementar. Não tem nenhum conhecido subestrutura. Assim, por conveniência, que é normalmente definida ou assumido como sendo um ponto do tipo matemático carga pontual, sem extensão espacial. No entanto, quando uma partícula teste é forçado a abordar um elétron, medimos mudanças em suas propriedades ( carga e massa ). Este efeito é comum a todas as partículas elementares. Teoria actual sugere que este efeito é devido à influência de flutuações do vácuo no seu espaço local, de modo que as propriedades medidas de uma distância significativa, são consideradas como sendo a soma das propriedades nus e os efeitos de vácuo (ver renormalização ).

O raio de electrões clássica é 2,8179 x 10 ^-15 m. Este é o raio que é inferida a partir da carga eléctrica de electrões, usando o teoria clássica de eletrodinâmica sozinho, ignorando a mecânica quântica . Clássico eletrodinâmica ( Maxwell 's eletrodinâmica) é o conceito mais antigo que é amplamente utilizado para aplicações práticas da eletricidade, engenharia elétrica, física de semicondutores, e eletromagnetismo. Electrodinâmica quântica, por outro lado, é útil para aplicações em física de partículas moderna e alguns aspectos da óptica, o laser e física quântica.

Com base na teoria de corrente, a velocidade de um electrão pode aproximar-se, mas não atingir, C (a velocidade da luz no vácuo). Esta limitação é atribuída a teoria de Einstein da relatividade especial que define a velocidade da luz como uma constante dentro de tudo referenciais inerciais. No entanto, quando relativista electrões são injectadas num meio dieléctrico, tal como água, onde a velocidade local de luz é significativamente menor que c, os electrões (temporariamente) viajar mais rápido do que a luz no meio. Como eles interagem com o meio, eles geram uma luz azulada tênue chamada Efeito Cherenkov.

Os efeitos de relatividade especial baseiam-se numa quantidade conhecida como γ ou o Fator de Lorentz. γ é uma função de v, a velocidade de coordenadas da partícula. Ela é definida como:

A energia cinética necessária para acelerar um elétron é:

Por exemplo, a Acelerador linear de Stanford pode acelerar um elétron para cerca de 51 GeV . Isto dá uma gama de 100.000, uma vez que a massa de um elétron é de 0,51 MeV / c ² (o impulso relativista desta elétron é 100.000 vezes a dinâmica clássica de um elétron com a mesma velocidade). Resolvendo a equação anterior para a velocidade do electrão (e através de uma aproximação em grande γ) dá:

O Broglie comprimento de onda de uma partícula é λ = H / P, onde h é P constante e de Planck é dinâmica. A energias baixas (por exemplo, de fotoelectrão) este determina o tamanho dos átomos, e em altas (por exemplo, microscópio de electrões) energias isso torna o Bragg ângulos para difração de elétrons (co-descoberto por JJ Thomson filho 's GP Thomson) bem sob um grau. Desde o momento é a massa vezes apropriada à velocidade w = γv, temos

Para a 51 GeV electrões acima, adequada à velocidade é aproximadamente yc, fazendo com que o comprimento de onda dos electrões pequenas o suficiente para explorar estruturas bem abaixo do tamanho de um núcleo atómico.

Visualização

As primeiras imagens de vídeo de um elétron foram capturados por uma equipe da Universidade de Lund, na Suécia, em Fevereiro de 2008. Para capturar este evento, os cientistas usaram flashes extremamente curtos de luz. Para produzir esta luz, a tecnologia recém-desenvolvida para gerar pulsos curtos de luz laser intensa, chamados pulsos attosecond, permitiu que a equipe da Faculdade da universidade de Engenharia para capturar o movimento do elétron, pela primeira vez.

"Demora cerca de 150 attoseconds para um elétron para circundar o núcleo de um átomo. Um attosecond está relacionada a um segundo como um segundo está relacionado com a idade do universo", explica Johan Mauritsson, um professor assistente de física atômica na Faculdade de Engenharia da Universidade Lund.

O vídeo está disponível aqui:

Na prática

No universo

Os cientistas acreditam que o número de electrões existentes no conhecido universo é de pelo menos 10 ^79. Este número corresponde a uma densidade média de cerca de um electrão por metro cúbico de espaço. Astrônomos estimam que 90% da massa de átomos no universo é hidrogénio , o qual é feito de um electrão e de um protão.

Na indústria

Feixes de elétrons são usados em soldagem , litografia, microscópios eletrônicos de varredura e microscópios eletrônicos de transmissão. LEED e RHEED são técnicas superfície de imagem que usam elétrons.

Os elétrons também estão no coração de tubos de raios catódicos, que são utilizados extensivamente como dispositivos de exibição em instrumentos de laboratório, monitores de computador e aparelhos de televisão. Em um tubo fotomultiplicador, um fóton atinge o fotocátodo, iniciando uma avalanche de elétrons que produz uma corrente detectável.

No laboratório

A proporção excepcionalmente elevada carga-massa de electrões significa que eles interagem fortemente com átomos, e são fáceis de acelerar e concentrar com os campos eléctricos e magnéticos. Assim alguns dos hoje transmissão com correção de aberração microscópios eletrônicos usam elétrons 300keV com velocidades maiores do que a velocidade da luz na água, comprimentos de onda abaixo de 2 picometros, transversais de coerência-larguras mais de um nanômetro, e longitudinais de coerência-larguras de 100 vezes que, para a imagem de espalhamento atômico-núcleos individuais ( HAADF), bem como a interferência de contraste de solid-espécime DeBroglie em fase de saída da superfície ( HRTEM) com laterais ponto-resoluções para 60 picometros. Ampliações aproximando 100 milhões são necessários para fazer o detalhe da imagem resultante confortavelmente visível a olho nu.

Os efeitos quânticos de electrões são também utilizados na digitalização tunneling microscópio, para estudar recursos em superfícies sólidas com laterais-resolução em escala atômica (cerca de 200 picometros) e vertical resoluções muito melhores do que isso. Para além da forte dependência da tunelamento quântico na separação ponta-amostra, a sensibilidade vertical, decorre do controle eletrônico precisa da separação possível com um digitalizador piezoeléctrico.

Na medicina

Em terapia de radiação, feixes de electrões são usados para o tratamento de tumores superficiais.

Em teoria

No modelo de Dirac, um elétron é definido como um ponto matemático, uma partícula "nua" ponto-like, cobrado cercado por um mar de pares de interação virtual partículas e antipartículas. Estes fornecem uma correção de pouco mais de 0,1% ao valor previsto dos elétrons de rácio gyromagnetic de exatamente 2 (como previsto por modelo de uma única partícula de Dirac). O acordo extraordinariamente precisa de esta previsão com o valor determinado experimentalmente é visto como uma das grandes realizações da física moderna.

No Modelo Padrão da física de partículas , o elétron é o primeiro- geração carregada lepton. Ele forma um fraco gibão isospin com o neutrino do elétron; estas duas partículas interagem uns com os outros através de tanto a corrente carregada e neutra interação fraca. O electrões é muito semelhante às partículas mais dois maciços de gerações mais altas, o múon eo leptão tau, que são idênticos em carga, rotação, e interação, mas diferem em massa.

O antimatéria homólogo do elétron é o pósitron. O pósitron tem a mesma quantidade de carga elétrica como o elétron, exceto que a taxa é positiva. Ele tem a mesma massa e girar como o elétron. Quando um elétron e um pósitron se encontram, eles podem aniquilar o outro, dando origem a dois fotões de raios-gama emitida em cerca de 180 ° entre si. Se o elétron eo pósitron teve impulso insignificante, cada raio gama terá uma energia de 0,511 MeV. Veja também Elétron-pósitron aniquilação.

Os elétrons são um elemento-chave no eletromagnetismo , uma teoria que é preciso para sistemas macroscópicos, e para a modelagem clássica de sistemas microscópicos.