Электрон, раздел «Физик»

Электрон — отрицательно заряженная элементарная частица, принадлежащая к классу лептонов (см. Элементарные частицы), носитель наименьшей известной сейчас массы и наименьшего электрического заряда в природе. Открыт в 1897 г. английским ученым Дж. Дж. Томсоном.

Электрон — составная часть атома, число электронов в нейтральном атоме равно атомному номеру, т. е. числу протонов в ядре.

Первые точные измерения электрического заряда электрона провел в 1909—1913 гг. американский фиаик Р. Милликен. Современное значение абсолютной величины элементарного заряда составляет е = (4,803242 ± 0,000014)•10^-10 единиц СГСЭ или примерно 1,6•10^-19 Кл. Считается, что этот заряд действительно «элементарен», т. е. он не может быть разделен на части, а заряды любых объектов являются его целыми кратными. Вы, возможно, слышали о кварках с электрическими зарядами е/3 и 2е/3, но, по-видимому, они прочно заперты внутри адронов и в свободном состоянии не существуют. Вместе с постоянной Планка ħ и скоростью света с элементарный заряд образует безразмерную постоянную α = е²/ħc ≈ 1/137. Постоянная тонкой структуры α — один из важнейших параметров квантовой электродинамики, она определяет интенсивность электромагнитных взаимодействий (наиболее точное современное значение α^-1 = 137,035963 ± 0,000015).

Масса электрона m_e = (9,109534 ± 0,000047)•10^-28 г (в энергетических единицах ≈0,5 МэВ/с²). Если справедливы законы сохранения энергии и электрического заряда, то запрещены любые распады электрона, такие, как e^- → ν_e + γ и т. п. Поэтому электрон стабилен; экспериментально получено, что время его жизни не менее 10²² лет.

В 1925 г. американские физики С. Гаудсмит и Дж. Уленбек для объяснения особенностей атомных спектров ввели внутренний момент количества движения электрона — спин (s). Спин электрона равен половине постоянной Планка (ħ = 1,055•10^-34 Дж/с), но физики обычно говорят просто, что спин электрона равен 1/2:s = 1/2. Со спином электрона связан его собственный магнитный момент М = g_es(eħ/2m_ec). Величина eħ/2m_ec = 9,274•10^-21 эрг/Гс называется магнетоном Бора МБ (это принятая в атомной и ядерной физике единица измерения магнитного момента; здесь ħ — постоянная Планка, е и m — абсолютная величина заряда и масса электрона, с — скорость света); числовой коэффициент g_e — это g-фактор электрона. Из квантово-механического релятивистского уравнения Дирака (1928) следовало значение g_e = 2, т. е. магнитный момент электрона должен был равняться в точности одному магнетону Бора.

Однако в 1947 г. в опытах было обнаружено, что магнитный момент примерно на 0,1% больше магнетона Бора. Объяснение этого факта было дано с учетом поляризации вакуума в квантовой электродинамике. Весьма трудоемкие вычисления дали теоретическое значение g_e = 2•(1,001159652460 ± 0,000000000148), которое можно сравнить с современными (1981) экспериментальными данными:

для электрона g_e = 2•(1,001159652200 ± 0,000000000040) и позитрона g_e = 2•(1,001159652222 ± 0,000000000050). Величины вычислены и измерены с точностью до двенадцати знаков после запятой, причем точность экспериментальных работ выше точности теоретических расчетов. Это самые точные измерения в физике элементарных частиц.

Особенностями движения электронов в атомах, подчиняющегося уравнениям квантовой механики, определяются оптические, электрические, магнитные, химические и механические свойства веществ.

Электроны участвуют в электромагнитных, слабых и гравитационных взаимодействиях (см. Единство сил природы). Так, вследствие электромагнитного процесса происходит аннигиляция электрона и позитрона с образованием двух γ-квантов: е⁺ + е^- → γ + γ. Электроны и позитроны высоких энергий могут участвовать и в других процессах электромагнитной аннигиляции с образованием адронов: е⁺ + е^- адроны. Сейчас такие реакции усиленно изучаются на многочисленных ускорителях на встречных е⁺е^- - пучках (см. Ускорители заряженных частиц).

Слабые взаимодействия электронов проявляются, например, в процессах с несохранением четности (см. Четность) в атомных спектрах или в реакциях между электронами и нейтрино ν_μμ + е^- → ν_μμ + е^-.

Не имеется никаких данных о внутренней структуре электрона. Современные теории исходят из представлений о лептонах как о точечных частицах. В настоящее время это проверено экспериментально до расстояний 10^-16 см. Новые данные могут появиться лишь с повышением энергии столкновения частиц в будущих ускорителях.