Электрон. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Электрон (е^-) - первая из открытых элементарных частиц, носитель отрицат. элементарного заряда е=1,6^.10^-19 К (4,8^.10^-10 единиц СГСЭ). Э--самая лёгкая из всех заряж. элементарных частиц. Его масса т_e

9,1•10^-28 г в 1836 раз меньше массы протона. Спин Э. равен 1/2 (в единицах 2p/h), и, следовательно, Э. подчиняются Ферми - Дирака статистике. Магнитный момент Э. m_е

/(2m_ес) = m_Б (m_Б- магнетон Бора). В пределах точности эксперимента Э.- стабильная частица. Его время жизни t>2•10²² лет.

Э. были открыты в 1897 Дж. Дж. Томсоном (J. J. Thomson), показавшим, что т. н. катодные лучи, возникающие при электрич. разряде в разреженных газах, представляют собой поток отрицательно заряженных частиц. Опытами по отклонению этих частиц в электрич. и магн. полях было установлено, что уд. заряд е/т для них примерно в 1837 раз больше, чем для ионов водорода. За частицами было закреплено назв. "электроны", предложенное ранее в 1891 Дж. Стони (G. Stoney) для обозначения элементарного заряда одновалентных ионов. Значение заряда Э. (близкое к современному) было получено Р. Милликеном (R. Millikan) в серии опытов 1910-14.

Э. играют важнейшую роль в строении окружающего нас вещества, образуя электронные оболочки атомов всех хим. элементов. Типичные размеры электронных оболочек атомов, определяемые квантовой спецификой поведения электронов в поле ядра, задаются в осн. значениями массы и заряда Э. и по порядку величины близки к т. н. боровс-кому радиусу

²/т_ее² = 5•10^-9 см.

Характер размещения Э. в атомных оболочках и заполнения ими энергетич. уровней в существ. мере связан с наличием у них спина 1/2 и, следовательно, с действием Паули принципа, запрещающего нахождение двух электронов в одинаковом квантовом состоянии. Это ведёт к периодич. повторению свойств хим. элементов, открытому Д. И. Менделеевым (см. Периодическая система элементов). С наличием спина у Э. связаны, в частности, такие нетривиальные свойства ряда твёрдых тел, как ферромагнетизм, обусловливаемый выстраиванием спинов и связанных с ними магн. моментов у электронов соседних атомов, и сверхпроводимость ,в основе к-рой лежит возможность образования в металлах при низких темп-pax слабо связанных пар Э. с противоположно ориентированными спинами (куперовские пары, см. Купера эффект).

Как элементарная частица Э. принадлежит к классу леп-тонов ,т. е. обладает только эл--магн. и слабым взаимодействием (и, естественно, гравитационным). Описание электромагнитного взаимодействия Э. даётся квантовой электродинамикой (КЭД). В 1929 в рамках КЭД был произведён первый расчёт сечения электродинамич. процесса комптоновского рассеяния у-квантов на Э. (см. Клейна - Нишины форму ла): g + е^-g' + е^-', к-рый дал прекрасное согласие с экспериментом. Важным элементом формализма КЭД явилось вторично-квантованное Дирака уравнение для Э. со спином 1/2. Из него следовало существование частицы с массой, равной массе Э., но с противоположным знаком заряда (античастицы Э.). Такая частица е⁺ , названная позитроном, была обнаружена в 1932 в составе космич. лучей, что явилось блестящим подтверждением всей схемы КЭД.

За годы, прошедшие после открытия позитрона, аппарат КЭД был усовершенствован введением техники перенормировки, позволившей учитывать в теории более высокие порядки, и предсказания КЭД подверглись сравнению с экспериментом со всё возрастающей точностью. Во всех случаях расхождений обнаружено не было. В частности, с рекордной точностью были рассчитаны и измерены т. н. лэмбовский сдвиг уровней в атоме водорода и магн. момент Э. С учётом высших поправок теории магн. момент Э. m_e = 1,00116 m_Б.

Один из важных выводов, вытекающий из проверок КЭД, связан с размерами Э. КЭД предполагает Э. точечным. Ни в одном эффекте расхождения с этим допущением обнаружено не было. Физически это означает, что размеры Э. меньше 10^-16 см. Наилучшая точность проверки была достигнута в чисто электродинамич. процессе е⁺+е^-

2g.

Слабое взаимодействие Э. при энергиях, меньших 100 ГэВ в системе центра масс, описывается феноменоло-гич. четырёхфермионной теорией; при энергиях, больших 100 ГэВ в системе центра масс,- теорией электрослабого взаимодействия. Характерные примеры слабого взаимодействия с участием Э.:

При рассмотрении слабого взаимодействия Э. следует приписать дополнительную сохраняющуюся величину - электронное лептонное число .Такое же лептонное число имеет электронное нейтрино v_е. В рамках точности совр. эксперимента электронное лептонное число сохраняется. Это означает, что допустим, напр., процесс е^-+р

n + v_e, но невозможен процесс е^-+р

m^-+р или процесс m^-

е^- +g. Природа сохранения электронного лептонного числа пока не понята и явится предметом дальнейших исследований. Наиб. вероятно, что указанный закон сохранения не является строгим, но характер и степень его нарушения предстоит ещё выяснить. Возможно, это прольёт новый свет на свойства Э.

Знаете ли Вы, как разрешается парадокс Ольберса?
(Фотометрический парадокс, парадокс Ольберса - это один из парадоксов космологии, заключающийся в том, что во Вселенной, равномерно заполненной звёздами, яркость неба (в том числе ночного) должна быть примерно равна яркости солнечного диска. Это должно иметь место потому, что по любому направлению неба луч зрения рано или поздно упрется в поверхность звезды.
Иными словами парадос Ольберса заключается в том, что если Вселенная бесконечна, то черного неба мы не увидим, так как излучение дальних звезд будет суммироваться с излучением ближних, и небо должно иметь среднюю температуру фотосфер звезд. При поглощении света межзвездным веществом, оно будет разогреваться до температуры звездных фотосфер и излучать также ярко, как звезды. Однако в дело вступает явление "усталости света", открытое Эдвином Хабблом, который показал, что чем дальше от нас расположена галактика, тем больше становится красным свет ее излучения, то есть фотоны как бы "устают", отдают свою энергию межзвездной среде. На очень больших расстояниях галактики видны только в радиодиапазоне, так как их свет вовсе потерял энергию идя через бескрайние просторы Вселенной. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.