Electrón

Electrón Los experimentos llevados a cabo con tubos de Crookes han demostrado con certeza la existencia del electrón.
En la foto, el tubo está lleno de un gas a baja presión. Se aplica un alto voltaje eléctrico entre el cátodo (en el extremo izquierdo) y el ánodo (en el extremo del codo debajo del tubo). En el cátodo, este voltaje crea un haz de electrones que viajan en línea recta (el tenue resplandor azul en el centro del tubo), siempre que no choquen con los átomos de gas. A la derecha, una pieza de metal en forma de cruz de Malta bloquea parcialmente este flujo de electrones, creando una sombra en el extremo derecho. Los otros electrones golpean la parte inferior del tubo y lo hacen parcialmente luminiscente (resplandor verde pálido). En el codo debajo del tubo, el gas se enciende (resplandor azul) a medida que pasan los electrones desviados, recogidos por el ánodo. Propiedades generales

Clasificación	Partícula elemental
Familia	Fermión
Grupo	Lepton
Generacion	1 re
Interacción (es)	Electromagnético de baja gravedad
Símbolo	e - β - ( partícula β )
Nbr. de tipos	1
Antipartícula	positrón

Propiedades físicas

Masa	9,109 × 10 −31  kg (511  keV / c 2 )
Carga eléctrica	-1 e (−1.602 × 10 −19  C  ; según CODATA 2010, es −1.602 176565 (35) × 10 −19  C )
Momento magnético	9.274 × 10 −24  J / T
Girar	½
Paridad	+1
Esperanza de vida	> 2,1 × 10 36  s

Histórico

Predicción	Richard Laming (1838-1851), George Stoney (1874) y otros
Descubrimiento	1897
Descubridor	Joseph john thomson

El electrón , uno de los componentes del átomo junto con los neutrones y protones , es una partícula elemental que tiene una carga elemental de signo negativo. Es fundamental en química , porque participa en casi todo tipo de reacciones químicas y es un elemento esencial de los enlaces presentes en las moléculas . En física , el electrón está involucrado en una multitud de radiaciones y efectos. Sus propiedades, que aparecen a nivel microscópico, explican la conductividad eléctrica , la conductividad térmica , el efecto Cherenkov , el brillo , la inducción electromagnética , la luminiscencia , el magnetismo , la radiación electromagnética , la reflexión óptica , el ' efecto fotovoltaico y la superconductividad. , fenómenos macroscópicos ampliamente explotados en los países industrializados. Al poseer la masa más baja de todas las partículas cargadas, se usa regularmente en el estudio de la materia.

El concepto de una cantidad indivisible de carga eléctrica fue desarrollado a partir de 1838 por el naturalista británico Richard Laming para explicar las propiedades químicas de los átomos . El electrón se identifica como el corpúsculo imaginado por Joseph John Thomson y su equipo de físicos británicos en 1897, tras su trabajo con los rayos catódicos .

Fue en este momento que Thomson propuso su modelo atómico . En 1905, Albert Einstein propuso una explicación del efecto fotoeléctrico -electrones emitidos por la materia bajo la influencia de la luz- que servirá como argumento a favor de la teoría cuántica . En 1912, Niels Bohr explicó las líneas espectrales postulando la cuantificación de la órbita electrónica del átomo de hidrógeno , otro argumento que apoya esta teoría. En 1914, los experimentos de Ernest Rutherford y otros establecieron firmemente la estructura del átomo como un núcleo cargado positivamente rodeado por electrones de menor masa. En 1923, los resultados experimentales de Arthur Compton convencieron a la mayoría de los físicos de la validez de la teoría cuántica. En 1924, Wolfgang Pauli definió el principio de exclusión de Pauli , que implica que los electrones tienen un espín . El mismo año, Louis de Broglie planteó la hipótesis, verificada más tarde, de que los electrones presentan una dualidad onda-partícula . En 1928, Paul Dirac publicó su modelo del electrón que le llevó a predecir la existencia de positrones y luego de antimateria . Los estudios posteriores de las propiedades del electrón han llevado a teorías más completas sobre la materia y la radiación.

Historia

Los antiguos griegos notaron una vez que el ámbar atrae pequeños objetos cuando se frota con la piel; Aparte de los rayos , este fenómeno es la experiencia más antigua de la humanidad con la electricidad , el movimiento de partículas cargadas eléctricamente.

En 1269, Pierre de Maricourt , un ingeniero militar al servicio del príncipe francés Charles I er de Sicilia , estudia las propiedades de los imanes permanentes . “Este estudio, que nos llegó en forma de carta escrita a uno de sus colegas, incluye la mayoría de los experimentos elementales descritos hoy en los libros de texto de física. " En su 1600 tratado De Magnete , el médico Inglés William Gilbert creó la palabra latina "  electricus  "para designar la propiedad de atraer objetos pequeños después de la fricción. La palabra "electric" deriva del inglés "  electrick  " , que a su vez deriva del latín "  electricus  "  : "específico del ámbar" . La palabra latina ēlectrum deriva del griego ἤλεκτρον  / êlectron para ámbar.

Francis Hauksbee en la década de 1700 y CF du Fay en 1737 descubrieron de forma independiente dos tipos de electricidad: una obtenida frotando vidrio y la otra generada frotando resina. Du Fay concluye que la electricidad se puede reducir a dos fluidos eléctricos , "vidrioso" y "resinoso", que están separados por fricción y que pueden recombinarse. Una década más tarde, Benjamin Franklin sostiene que la electricidad no es diferente de otros tipos de fluidos eléctricos, pero es la misma, bajo diferentes presiones. Le trae la terminología moderna de carga positiva o negativa respectivamente.

Entre 1838 y 1851, el naturalista británico Richard Laming desarrolló la idea de que un átomo está compuesto por un núcleo de materia, rodeado de partículas subatómicas que tienen una unidad de carga eléctrica . A partir de 1846, el físico alemán Wilhelm Eduard Weber defendió la teoría de que la electricidad está compuesta por fluidos cargados positiva y negativamente, y que una ley del cuadrado inverso rige su interacción. Después de estudiar la electrólisis en 1874, el físico irlandés George Stoney sugiere que hay "sólo una cantidad definida de electricidad"  : la carga de un ion monovalente . Este postulado le da la capacidad de estimar el valor de esta carga elemental e a partir de las leyes de electrólisis de Faraday . Sin embargo, Stoney cree que estas cargas están unidas permanentemente a los átomos y, por lo tanto, no pueden eliminarse de ellos. En 1881, el físico alemán Hermann von Helmholtz estaba convencido de que las cargas positivas y negativas están formadas por partes elementales, cada una de las cuales "se comporta como átomos de electricidad" .

En 1894, Stoney acuñó el término "electrón" para designar estas cargas elementales, escribiendo "... se ha hecho una estimación del valor real de esta notable unidad fundamental de la electricidad, por la que me he arriesgado. Para proponer el nombre de "electrón" " . La palabra electrón es una combinación de la palabra "eléctrico" y el sufijo "  - en  ", este último se utiliza posteriormente para denotar una partícula subatómica, como el protón o el neutrón.

Descubrimiento

Durante el XIX °  siglo físico alemán Julius Plücker y Johann Wilhelm Hittorf el estudio de la conductividad eléctrica de los gases en ampollas de vidrio selladas equipadas con un cátodo y un ánodo que se puede someter el gas a una corriente eléctrica. En 1869, Hittorf observó la emisión, por el cátodo, de "haces de partículas" cargados si el bulbo contenía un gas a baja presión. En 1876, el físico alemán Eugen Goldstein demostró que los rayos de este resplandor provocan una sombra, y los llamó rayos catódicos . Durante la década de 1870, el químico y físico inglés William Crookes desarrolló el primer tubo de rayos catódicos con un alto vacío en el interior, en lo sucesivo denominado "  tubo de Crookes  ". Luego muestra que los rayos de luz que aparecen en el tubo transmiten energía y viajan desde el cátodo al ánodo . Además, al aplicar un campo magnético , es capaz de desviar los rayos, mostrando así que el rayo se comporta como si estuviera cargado. En 1879 propuso explicar estas propiedades mediante lo que llamó "materia radiante" . Él cree que este es un cuarto estado de la materia, que consiste en moléculas cargadas negativamente, proyectadas a alta velocidad desde el cátodo.

El físico británico nacido en Alemania Arthur Schuster desarrolló los experimentos de Crookes colocando placas de metal paralelas a los rayos catódicos, a través de las cuales puede aplicar diferentes potenciales eléctricos . El campo eléctrico desvía los rayos hacia la placa cargada positivamente, lo que refuerza la evidencia de que los rayos llevan una carga negativa. Al medir la deflexión de acuerdo con la diferencia de potencial, Schuster pudo medir en 1890 la relación masa-carga de los componentes de los radios. Sin embargo, su cálculo da un valor más de mil veces menor que el valor esperado, por lo que los contemporáneos depositan poca confianza en su cálculo. En 1895, el estudiante de doctorado y futuro físico francés Jean Perrin estableció experimentalmente la naturaleza corpuscular del electrón, mientras que varios científicos de la época consideraban que el electrón era una onda.

En 1896-1897, le physicien britannique Joseph John Thomson et ses collègues John Townsend et Harold A. Wilson réalisent des expériences indiquant que les rayons cathodiques sont effectivement des particules individualisées, plutôt que des ondes, des atomes ou des molécules comme les spécialistes le croient en la época. Thomson hace buenas estimaciones tanto de la carga e como de la masa m , encontrando que las partículas de los rayos catódicos, que él llama "corpúsculos", tienen aproximadamente una milésima parte de la masa del ion más ligero conocido entonces: hidrógeno . Muestra que la relación de carga a masa w / m es independiente del material del cátodo. Además, muestra que las partículas cargadas negativamente producidas por materiales radiactivos, materiales calentados y materiales iluminados son las mismas. Su extenso trabajo sobre la desviación de los rayos catódicos en un campo eléctrico es probablemente la razón por la que se le atribuye el descubrimiento del electrón. El nombre electrón es propuesto nuevamente por el físico irlandés George F. Fitzgerald , esta vez con éxito. Históricamente, el electrón es la primera partícula elemental identificada.

En 1900, Paul Drude propuso considerar todos los electrones de un metal como un gas ideal . Luego logra justificar teóricamente una conclusión experimental según la cual los buenos conductores eléctricos también son buenos conductores térmicos . Incluso si su suposición es falsa según el conocimiento actual, este concepto de "gas ideal de electrones" todavía se utiliza en mecánica cuántica.

Al estudiar minerales naturalmente fluorescentes , el físico francés Henri Becquerel descubre que emiten radiación en ausencia de cualquier fuente de energía externa. Los científicos, incluido el físico de Nueva Zelanda Ernest Rutherford , que descubrió que emiten partículas, estaban encandilados por estos materiales radiactivos . Les da el nombre de partículas alfa , beta y gamma , según su poder de penetración en la materia. En 1900, Becquerel muestra que los rayos beta emitidos por el radio son desviados por un campo eléctrico y que su relación masa-carga es la misma que la de los rayos catódicos. Este resultado apoya la idea de que los electrones existen como componentes de los átomos.

La carga del electrón es medida con mayor precisión por el físico estadounidense Robert Millikan mediante su experimento sobre la gota de aceite de 1909, del cual publica los resultados en 1911. Este experimento utiliza un campo eléctrico para compensar la gravedad y evitar así una caída de aceite cargado de caída. Este sistema permite medir la carga eléctrica desde unos pocos iones hasta 150, con un margen de error inferior al 0,3%. El grupo de Thomson realizó anteriormente experimentos comparables, usando neblinas de gotas de agua cargadas electrolíticamente y en 1911 por Abram Ioffé , quien obtuvo de forma independiente el mismo resultado que Millikan usando micropartículas metálicas, y publicó sus resultados en 1913. Sin embargo, las gotas de aceite menos volátiles se prestan mejor para experimentos a largo plazo.

Para el comienzo de la XX XX  siglo, los físicos descubrieron que, bajo ciertas condiciones, el rápido partícula en su trayectoria provoca la condensación de vapor de agua sobresaturada . En 1911, el físico escocés Charles Thomson Rees Wilson , uno de los colaboradores de Thomson, utilizó este efecto para desarrollar su cámara de niebla , que permite fotografiar trazas de partículas cargadas, como los electrones rápidos, lo que facilita así su estudio.

Teoría del átomo

El trabajo del físico neozelandés Ernest Rutherford , de 1909 a 1912, lo llevó a concluir que el átomo consiste en un pequeño núcleo que comprende toda la carga positiva y casi toda la masa del átomo, cuyo núcleo está rodeado de una nube electrónica (ver El experimento de Rutherford ). El físico británico Henry Moseley , que trabajó en el laboratorio de Rutherford en 1913, estableció con certeza el orden de los elementos químicos en la tabla periódica (ver Ley de Moseley ).

En 1913, el físico danés Niels Bohr postuló que los electrones se encuentran en estados cuantificados, cuya energía está determinada por el momento angular alrededor del núcleo. Los electrones pueden pasar de un estado a otro, por emisión o absorción de fotones a frecuencias específicas. Mediante estas órbitas cuantificadas, explica con toda la precisión requerida las líneas espectrales del átomo de hidrógeno.

Los trabajos de los físicos alemanes James Franck y Gustav Hertz , de 1912 a 1914, prueban la cuantificación de los niveles de energía de los electrones en los átomos y, por tanto, confirman las hipótesis del modelo de Bohr del átomo (ver Experimento de Franck y Hertz ). Todos estos experimentos establecen firmemente la estructura del átomo como un núcleo cargado positivamente rodeado por electrones de menor masa.

Sin embargo, el modelo de Bohr no puede dar cuenta de las intensidades relativas de las líneas espectrales ni explicar los espectros de átomos más complejos. A pesar de estas debilidades, este modelo atómico servirá como argumento a favor de la teoría cuántica .

Los enlaces químicos entre átomos son descritos por Gilbert N. Lewis , que ofrece en 1916 que el enlace covalente entre átomos es un par de electrones compartidos. Más tarde, en 1927, Walter Heitler y Fritz London explicaron completamente la formación de pares de electrones y enlaces químicos en términos de mecánica cuántica . En 1919, el químico estadounidense Irving Langmuir refinó el modelo estático del átomo de Lewis y sugirió que todos los electrones estaban distribuidos en "capas concéntricas (aproximadamente) esféricas, todas del mismo espesor" . A su vez, las capas se dividen en varias celdas, cada una de las cuales contiene un par de electrones. Con este modelo, Langmuir explica cualitativamente las propiedades químicas de todos los elementos de la tabla periódica , que los científicos relacionan según la ley de los similares.

En 1924, el físico austriaco Wolfgang Pauli notó que la estructura estratificada del átomo se explica por el conjunto de cuatro parámetros que definen todos los estados de energía, siempre que cada estado esté ocupado por un solo electrón. Esta prohibición de dos electrones de ocupar el mismo estado se conoce como el "  Principio de Exclusión de Pauli  ". El mecanismo que determina el cuarto parámetro y sus dos valores lo proporcionan los físicos holandeses Samuel Goudsmit y George Uhlenbeck , cuando sugieren que el electrón, además del momento angular de su órbita, podría tener un momento angular intrínseco. Esta propiedad se conoce con el nombre de "  espín  ": explica la duplicación de las líneas espectrales observadas con un espectrógrafo de alta resolución, que ha permanecido misteriosa hasta entonces; este fenómeno se conoce como estructura hiperfina de las líneas. El principio de Pauli explica por qué la llamada materia ordinaria crea lo que se llama el "volumen" de materia.

Mecánica cuántica

Los electrones tienen, como toda materia, la propiedad cuántica de ser tanto ondas como partículas , por lo que pueden chocar con otras partículas y difractarse como la luz . Esta dualidad es fácil de ver con los electrones debido a su baja masa. Un electrón, debido a su espín, es un fermión y, por lo tanto, satisface el principio de exclusión de Pauli .

En 1887, Heinrich Hertz observó el efecto fotoeléctrico mientras estudiaba las ondas electromagnéticas , y varios científicos intentaron explicar los mecanismos, sin resultado. Veinte años después, en 1905, Albert Einstein ofreció una primera explicación, que le valió el Premio Nobel de Física en 1921. Según él, los electrones son emitidos por la materia sólo si la frecuencia de la luz está por encima de un cierto umbral. Para lograrlo, introduce el concepto de fotón , utilizando el de cuanto de energía propuesto recientemente en un contexto completamente diferente por Max Planck . La explicación de Einstein será uno de los primeros argumentos a favor de la teoría cuántica . En 1923, Arthur Compton observó el alargamiento de la longitud de onda del fotón provocado por la difusión que lleva su nombre , que es provocada por la interacción de fotones y electrones. “Estos resultados experimentales [son] los primeros en convencer a la mayoría de los físicos de la validez de la teoría cuántica . "

En su publicación Investigaciones sobre la teoría de los cuantos , en 1924, el físico francés Louis de Broglie plantea la hipótesis de que toda la materia tiene una onda de De Broglie similar a la luz . Es decir, dependiendo de las condiciones, los electrones y otras partículas materiales muestran las propiedades de partículas u ondas. Las propiedades corpusculares de una partícula son obvias cuando aparece en cualquier momento localizada en un lugar en el espacio a lo largo de una trayectoria. La naturaleza ondulatoria se observa, por ejemplo, cuando un rayo pasa a través de rendijas paralelas y crea patrones de interferencia . En 1927, el físico inglés George Paget Thomson demostró el efecto de la interferencia con un haz de electrones , utilizando una fina película metálica, y los físicos estadounidenses Clinton Davisson y Lester Germer utilizando un cristal de níquel .

El éxito de la predicción de De Broglie llevó a la publicación por Erwin Schrödinger , en 1926, de la ecuación de Schrödinger que describió con éxito la propagación de electrones como una onda. En lugar de proporcionar una solución para la posición de un electrón, esta ecuación de onda se puede utilizar para calcular la probabilidad de encontrar un electrón en un volumen determinado. Este enfoque se denomina más tarde mecánica cuántica y proporciona una muy buena aproximación de los estados de energía en el átomo de hidrógeno. Una vez que se tienen en cuenta el espín y las interacciones entre los electrones, la mecánica cuántica modela con éxito el comportamiento de los electrones en átomos más complejos que el del hidrógeno.

En 1928, mejorando el trabajo de Wolfgang Pauli, el físico británico Paul Dirac diseñó un modelo del electrón, la ecuación de Dirac  , compatible con la teoría de la relatividad y la mecánica cuántica . Para resolver ciertos vacíos en su ecuación relativista, Dirac desarrolló en 1930 un modelo de vacío con un mar infinito de partículas de energía negativa, a veces llamado el “mar de Dirac” . Esto le llevó a predecir la existencia del positrón , equivalente al electrón en antimateria , una "sustancia" también predicha por Dirac. El positrón es descubierto por Carl D. Anderson , quien propone llamar "negatrones" a los electrones estándar y utilizar el término "electrón" como término genérico para designar las dos cargas de forma indiscriminada. Este uso del término "negatron" todavía se encuentra en ocasiones y puede abreviarse como "negaton".

En 1947, el físico estadounidense Willis Lamb , en colaboración con el estudiante de doctorado Robert Retherford, descubrió que ciertos estados cuánticos del átomo de hidrógeno, que deberían tener la misma energía, se distinguen por un cierto desplazamiento, este es el desplazamiento de Lamb . Casi al mismo tiempo, el físico germano-estadounidense Polykarp Kusch , trabajando con Henry M. Foley, descubre que el momento magnético del electrón es algo mayor que el predicho por la teoría de Dirac. Esta diferencia se denominará más tarde "  momento magnético anómalo  " del electrón. Para resolver estos problemas, Sin-Itiro Tomonaga , Julian Schwinger y Richard Feynman  desarrollaron una teoría más elaborada llamada "  electrodinámica cuántica " a fines de la década de 1940.

Caracteristicas

Propiedades elementales

La masa de un electrón es aproximadamente 9,109 × 10 −31  kg , o 5,489 × 10 −4  unidad de masa atómica . Según el principio de equivalencia masa-energía de Einstein , esto corresponde a una energía de 511  keV . La relación entre las masas del protón y el electrón es de aproximadamente 1836. Las mediciones astronómicas muestran que esta relación no ha cambiado de forma apreciable durante la mitad de la edad del Universo , como predice el modelo estándar .

El electrón tiene una carga eléctrica de -1,602 × 10 -19  C , que se utiliza como unidad estándar de carga para las partículas subatómicas. Según el límite actual de precisión de los experimentos, la carga del electrón es directamente opuesta a la del protón. Dado que el símbolo e se usa para la carga elemental , el símbolo del electrón es e - , el signo - que indica la carga del electrón. La antipartícula del electrón, el positrón , con el símbolo e + , tiene la carga eléctrica opuesta. Esto permite la aniquilación de un electrón con un positrón, produciendo solo energía en forma de rayos gamma .

Según el Modelo Estándar , el electrón no tiene un subcomponente conocido, por lo que es una partícula elemental . Se define como una partícula puntual con una carga puntual . La observación de un electrón aislado en una trampa de Penning muestra que el radio de esta partícula es menor de 10-22  m . Sin embargo, existe una constante física que se llama “radio clásico del electrón”, cuyo valor mucho mayor es 2.817 9 × 10 −15  m . Sin embargo, esta terminología proviene de un cálculo que ignora los efectos de la mecánica cuántica  : este supuesto radio no puede usarse para describir la estructura fundamental del electrón, que no es comparable a un objeto sólido y compacto, sino a la fluctuación. Difunde una onda, de acuerdo con la mecánica ondulatoria . Sin embargo, da un orden de magnitud de las dimensiones para las que la electrodinámica cuántica se vuelve importante para comprender la estructura y el comportamiento del electrón, en particular a través de la renormalización .

Los científicos creen, basándose en fundamentos teóricos, que el electrón es estable: dado que es la partícula más ligera de carga distinta de cero, su desintegración violaría la conservación de la carga eléctrica . Experimentalmente, el límite inferior de la vida media del electrón es 2,1 × 10 36  s ( se estima que la edad del Universo es 4,34 × 10 17  s ). El electrón difiere en esto de otros leptones cargados, el muón y el tauón , de vida corta.

El electrón tiene un momento angular intrínseco, o espín , de . Esta propiedad generalmente se expresa llamando al electrón una "partícula de espín  ". Para este tipo de partículas, el valor absoluto del giro es , mientras que el resultado de la medición de la proyección del giro en cualquier eje solo puede ser ± ħ / 2 . Además del giro, el electrón tiene un momento magnético a lo largo de su giro. Es aproximadamente igual a un magneton Bohr , que es una constante física igual a 9,274 × 10 -24 J / T . La proyección de la vuelta en la dirección de la del electrón impulso define la propiedad conocida como "  helicidad  ". 12{\ Displaystyle \ scriptstyle {\ frac {1} {2}}}12{\ Displaystyle \ scriptstyle {\ frac {1} {2}}}32ℏ{\ Displaystyle \ scriptstyle {\ frac {\ sqrt {3}} {2}} \ hbar} 

La forma de un electrón, si existe (como partícula elemental, el electrón no debe tener dimensión y, por lo tanto, no debe tener forma, pero está rodeado por una nube de partículas virtuales que a su vez tiene una forma) solo se puede medir de forma indirecta. : midiendo la distribución espacial de su carga eléctrica. Así, una forma de nube perfectamente esférica daría lugar a un campo eléctrico homogéneo en todas las direcciones (monopolo eléctrico) y una forma no esférica daría lugar a un dipolo eléctrico ( dipolo electrostático ). El modelo estándar sugiere que la nube no es esférica y que constituye un dipolo eléctrico. Sin embargo, parece que la distribución de su carga eléctrica se acerca a una esfera perfecta, dentro de los 10-27  cm , es decir que el momento de este dipolo es casi nulo. Si se agrandara la nube de partículas virtuales de un electrón para que tuviera el diámetro del sistema solar, su dipolo electrostático (que se supone que representa su defecto de esfericidad) sería, como mucho, del orden del ancho de d 'a Mechón de pelo. Este resultado se midió utilizando el estudio láser de moléculas de fluoruro de iterbio enfriadas a muy baja temperatura. Si los electrones tuvieran un defecto de esfericidad (un momento dipolar), su campo eléctrico oscilaría e induciría deformaciones de la molécula, lo que no se ha demostrado.

Propiedades cuánticas

El electrón exhibe una dualidad onda-partícula , que se puede demostrar con el experimento de la rendija de Young . Esta propiedad le permite pasar a través de dos rendijas paralelas simultáneamente, en lugar de una sola rendija, como sería el caso de una partícula convencional. En mecánica cuántica , la propiedad de onda de una partícula se puede describir matemáticamente como una función de valor complejo , la función de onda , comúnmente denotada por la letra griega psi ( ψ ). Cuando el valor absoluto de esta función se eleva al cuadrado , se obtiene la probabilidad de observar una partícula en un volumen pequeño cerca de la posición elegida: una densidad de probabilidad . El electrón puede atravesar una barrera potencial mediante el efecto túnel , un fenómeno que la mecánica clásica es incapaz de explicar y que la mecánica cuántica explica apelando a la noción de función de onda.

Los electrones son partículas indistinguibles porque no pueden distinguirse entre sí por sus propiedades físicas intrínsecas. En mecánica cuántica, esto significa que un par de electrones presentes deben poder invertir su posición sin causar ningún cambio observable en el estado del sistema. La función de onda de los fermiones, especialmente los electrones, es antisimétrica , es decir, cambia de signo durante el intercambio de dos electrones:

ψ(r1,r2)=-ψ(r2,r1){\ Displaystyle \ psi (r_ {1}, r_ {2}) = - \ psi (r_ {2}, r_ {1})},

donde y son las posiciones de los dos electrones. Como el valor absoluto es invariable durante el cambio de signo de la función, esto indica que las probabilidades son las mismas. Los bosones , como los fotones , tienen funciones de onda simétricas. r1{\ Displaystyle r_ {1}}r2{\ Displaystyle r_ {2}}

En el caso de la antisimetría, las soluciones de la ecuación de onda para los electrones que interactúan dan como resultado una probabilidad cero de que dos electrones ocupen la misma posición o, teniendo en cuenta el espín, el mismo estado. Esta es la causa del principio de exclusión de Pauli , que evita que dos electrones ocupen el mismo estado cuántico. Este principio explica muchas propiedades de los electrones. Por ejemplo, nos permite decir que las nubes de electrones vinculados al mismo núcleo ocupan todos los orbitales diferentes, en lugar de concentrarse todos en el orbital menos energético.

Clasificación según el modelo estándar

En el Modelo Estándar de física de partículas , los electrones pertenecen al grupo de partículas subatómicas llamadas " leptones " ,  que los científicos creen que son partículas elementales o fundamentales, es decir, que no tienen partículas subatómicas  . Los electrones tienen la masa más baja de todas las partículas cargadas y pertenecen a la primera familia o generación. Están sujetos a fuerzas gravitacionales , débiles y electromagnéticas , pero escapan a interacciones fuertes .

La segunda y tercera generaciones contienen leptones cargados, el muón y el tauón , idénticos al electrón en todos los aspectos, excepto en su masa, que es mucho mayor. Los leptones se diferencian de los otros componentes básicos de la materia, los quarks , en que no son sensibles a interacciones fuertes . Todos los miembros del grupo de los leptones son fermiones porque tienen un giro . 12{\ Displaystyle \ scriptstyle {\ frac {1} {2}}}

Partículas virtuales

Los físicos creen que un vacío puede llenarse con pares de partículas "virtuales", como electrones y positrones, que se crean y luego se aniquilan rápidamente. La combinación de la variación de energía necesaria para la creación de estas partículas, y el tiempo durante el cual existen, permanece por debajo del umbral de detectabilidad expresado por el principio de incertidumbre de Heisenberg:

Δmi×Δt≥ℏ{\ Displaystyle \ Delta E \ times \ Delta t \, \ geq \, \ hbar}.

En la práctica, la energía requerida para crear las partículas, se puede "tomar prestada" del vacío durante un período de tiempo , siempre que el producto no sea mayor que la constante de Planck reducida . Así que por un par electrón-positrón virtual . Δmi{\ Displaystyle \ Delta E}Δt{\ Displaystyle \ Delta t}ℏ≈6,6×10-dieciséismiV.s{\ Displaystyle \ hbar \ aproximadamente 6,6 \ times 10 ^ {- 16} \, eV.s}Δt≤6,6×10-22s{\ Displaystyle \ Delta t \ leq 6,6 \ times 10 ^ {- 22} \, s}

Mientras quede un par virtual electrón-positrón, la fuerza de Coulomb del campo eléctrico ambiental que rodea a un electrón hace que el positrón sea atraído hacia él, mientras que el electrón del par es repelido. Esto provoca lo que se llama "  polarización de vacío  ". De hecho, el vacío se comporta como un medio con una permitividad dieléctrica mayor que la unidad. Entonces, la carga efectiva de un electrón es menor que su valor nominal . Es más y más alto a medida que se acerca a la partícula: las cargas transportadas por las partículas virtuales enmascaran la del electrón. Las partículas virtuales provocan un efecto de enmascaramiento comparable para la masa del electrón.

La interacción con partículas virtuales también explica la ligera desviación (alrededor del 0,1%) entre el momento magnético intrínseco del electrón y el magnetón de Bohr (el momento magnético anómalo ). La extraordinaria precisión de la concordancia entre esta diferencia predicha por la teoría y el valor determinado por la experiencia se considera uno de los grandes logros de la electrodinámica cuántica .

En física clásica , el momento angular y el momento magnético de un objeto dependen de sus dimensiones físicas. Por tanto, parece incoherente concebir un electrón adimensional que tenga estas propiedades. La aparente paradoja puede explicarse por la formación de fotones virtuales en el campo eléctrico generado por el electrón. Estos fotones hacen que el electrón se mueva bruscamente (lo que se llama Zitterbewegung en alemán, o movimiento de temblor), lo que da como resultado un movimiento circular con precesión . Este movimiento produce tanto el giro como el momento magnético del electrón. En los átomos, esta creación de fotones virtuales explica el desplazamiento de Lamb observado en las líneas espectrales.

Interacción

Campos eléctricos y magnéticos

Un electrón genera un campo eléctrico que ejerce una fuerza de atracción sobre una partícula cargada positivamente, como un protón, y una fuerza repulsiva sobre una partícula negativa. El valor de esta fuerza viene dado por la ley de Coulomb . Cuando un electrón está en movimiento, también genera un campo magnético , la causa del magnetismo . La ley de Ampere-Maxwell conecta el campo magnético con el movimiento general de electrones (la corriente eléctrica ) con respecto a un observador. Es esta propiedad de la inducción la que proporciona la inducción electromagnética que hace girar un motor eléctrico . El campo electromagnético de una partícula cargada animada por un movimiento arbitrario se expresa mediante los potenciales de Liénard-Wiechert , válidos incluso cuando la velocidad de la partícula se aproxima a la de la luz ( relativista ).

Cuando un electrón se mueve en un campo magnético, está sujeto a una fuerza de Lorentz , dirigida perpendicularmente al plano definido por el campo y la velocidad del electrón. Esta fuerza perpendicular a la trayectoria obliga al electrón, en un campo magnético uniforme, a seguir una trayectoria helicoidal en el campo, en un cilindro (imaginario) cuyo radio se denomina “  rayo de Larmor  ”. La aceleración debida a este movimiento curvo hace que el electrón emita energía en forma de radiación de sincrotrón . La emisión de energía, a su vez, hace que el electrón retroceda, lo que se conoce como la "  fuerza de Abraham-Lorentz-Dirac  " , que crea una fricción que ralentiza el electrón. Esta fuerza es causada por una reacción del propio campo del electrón.

Interacción electromagnética

En electrodinámica cuántica , la interacción electromagnética entre partículas se transmite mediante fotones. Un electrón aislado, que no sufre aceleración, no puede emitir ni absorber un fotón real: esto violaría la conservación de energía y momento . Por el contrario, los fotones virtuales pueden transferir impulso entre dos partículas cargadas. Es este intercambio de fotones virtuales lo que, en particular, genera la fuerza de Coulomb. Puede producirse una emisión de energía cuando un electrón en movimiento es desviado por una partícula cargada, como un protón. La aceleración del electrón da como resultado la emisión de radiación de frenado continua .

Una colisión inelástica entre un fotón (luz) y un electrón solitario (libre) se denomina "  dispersión de Compton  ". Esta colisión da como resultado una transferencia de energía y momento entre las partículas, lo que cambia la longitud de onda del fotón en una cantidad llamada "  desplazamiento de Compton  ". El valor máximo de este desplazamiento es (con la constante de Planck , la masa del electrón y la velocidad de la luz ), que se conoce como "longitud de onda Compton". Para un electrón, es igual a 2,43 × 10-12 m . Esta interacción entre la luz y los electrones libres se denomina "  dispersión de Thomson  " o "dispersión lineal de Thomson". h/(metromivs){\ Displaystyle h / (m_ {e} \, c)}h{\ Displaystyle h}metromi{\ Displaystyle m_ {e}}vs{\ Displaystyle c} 

La fuerza relativa de la interacción electromagnética entre dos partículas, como un electrón y un protón, viene dada por la constante de estructura fina . Es una cantidad adimensional formada por la relación de dos energías: la energía electrostática de atracción (o repulsión) a la distancia de una longitud de onda Compton y la energía en reposo de la carga. La constante está dada por α ≈ 7.297 353 × 10 −3 , que es aproximadamente 1/137.

Cuando los electrones y los positrones chocan, pueden aniquilarse entre sí, dando 2 o 3 fotones. Si el electrón y el positrón tienen un momento insignificante, se puede formar un estado de enlace ( positronio ) antes de que ocurra la aniquilación, dando 2 o 3 fotones, cuya energía total es 1.022  MeV . Por otro lado, los fotones de alta energía pueden transformarse en un par de electrones y positrones mediante un proceso de aniquilación inverso llamado "  producción de pares  ", pero solo en presencia de una partícula cargada cercana, como un núcleo, capaz de absorber el momento de retroceso.

En la teoría de la interacción electrodébil , el componente izquierdo de la función de onda del electrón forma un doblete isospin débil con el neutrino-electrón . Con respecto a las interacciones débiles , los neutrinos-electrones de hecho se comportan como electrones. Cada miembro de este doblete puede sufrir una interacción por corriente cargada transformándose uno en otro por emisión o absorción del bosón W ± , siendo esta transformación la base de la desintegración β de los núcleos. El electrón, como el neutrino, puede sufrir una interacción por la corriente neutra acoplada a Z 0 , que es notablemente la causa de la dispersión de electrones y neutrinos. Además de la isopsina, el electrón está dotado de una hipercarga según la teoría electrodébil .

Átomos y moléculas

Animación  

Un electrón puede "unirse" al núcleo de un átomo mediante la fuerza de atracción de Coulomb . Un sistema de electrones unidos a un núcleo igual en número a su carga positiva se llama "  átomo neutro". Si el número de electrones es diferente, el sistema se denomina "  ion  ". El núcleo de los átomos contiene protones y, en general, neutrones . Por tanto, los átomos están formados por tres partículas: electrones, neutrones y protones. El comportamiento de onda de un electrón ligado se describe mediante una función llamada "  orbital atómico  ". Cada orbital tiene su propio conjunto de números cuánticos, como la energía, el momento angular y la proyección de este último en un eje dado. Según el principio de exclusión de Pauli , cada orbital solo puede estar ocupado por dos electrones, de espines diferentes.

Los electrones pueden cambiar de orbital por emisión o absorción de un fotón cuya energía es igual a la diferencia de energía potencial entre estos orbitales atómicos . Otros métodos de transferencia orbital incluyen colisiones con partículas como electrones y el efecto Auger . Para escapar de un átomo, la energía del electrón debe elevarse por encima de su energía de enlace con el átomo. Esto puede ocurrir en el efecto fotoeléctrico , cuando un fotón incidente tiene una energía que excede la energía de ionización del electrón que lo absorbe.

Se cuantifica el momento angular orbital de los electrones . A medida que se carga el electrón, produce un momento magnético orbital proporcional a su momento angular. El momento magnético total de un átomo es igual a la suma de los momentos magnéticos propios y orbitales de todos los electrones y del núcleo. El del núcleo, sin embargo, es insignificante en comparación con el de los electrones. Los momentos magnéticos de los electrones que ocupan el mismo orbital (electrones emparejados ) se cancelan entre sí.

En física, el enlace químico entre átomos resulta de interacciones electromagnéticas, descritas por las leyes de la mecánica cuántica. Según su proximidad al núcleo, los químicos consideran el corazón de los electrones y los electrones de valencia  ; son estos últimos los que intervienen en el enlace químico. Los más fuertes son los enlaces covalentes y los enlaces iónicos , que permiten la formación de moléculas . En una molécula, los electrones se mueven bajo la influencia de varios núcleos y ocupan orbitales moleculares , al igual que ocupan orbitales en átomos individuales. Un factor fundamental en estas estructuras moleculares es la existencia de pares de electrones: estos son electrones de espines opuestos, lo que les permite ocupar el mismo orbital molecular sin violar el principio de exclusión de Pauli (del mismo modo que en los átomos). Los diferentes orbitales moleculares tienen diferentes distribuciones espaciales de densidad electrónica. Por ejemplo, en pares de unión, que unen átomos, los electrones con densidad máxima se encuentran en un volumen relativamente pequeño entre los átomos. Por el contrario, para los pares que no se unen, los electrones se distribuyen en un gran volumen alrededor de los núcleos. Es la existencia de pares de unión, donde los electrones periféricos son agrupados por dos átomos vecinos, lo que caracteriza el enlace covalente. El enlace iónico se establece cuando dos iones están fuertemente unidos por atracción electrostática , lo que ocurre si un electrón de un átomo tiene un orbital molecular ubicado predominantemente cerca del otro átomo.

Las reacciones redox - intercambios de electrones - incluyen la combustión , la metalurgia , la electroquímica , la corrosión y la respiración celular .

Conductividad eléctrica

Si un cuerpo tiene demasiados electrones, o no los suficientes, para equilibrar las cargas positivas de los núcleos, tiene una carga eléctrica distinta de cero: negativa si hay demasiados electrones; positivo de lo contrario. Si las cargas están equilibradas, se dice que el cuerpo es neutral.

Los electrones que se mueven independientemente, como en el vacío, se denominan "libres". Los electrones de valencia en los metales también se comportan como si fueran libres. Además, puede haber huecos en un sólido , que son lugares donde falta un electrón. Estos huecos pueden rellenarse con electrones vecinos, pero esto solo moverá los huecos. En los sólidos podemos tener un predominio de la conducción de la electricidad por el desplazamiento de huecos, más que por el desplazamiento de electrones. De hecho, las partículas portadoras de carga en metales y otros sólidos son "cuasi-partículas", de carga eléctrica negativa o positiva, similares a los electrones reales.

Cuando los electrones libres se mueven, ya sea en el vacío o en un metal, producen una corriente de carga neta, llamada corriente eléctrica , que genera un campo magnético . Asimismo, una corriente puede ser generada por un campo eléctrico, posiblemente causado por un campo magnético variable ( inducción electromagnética ). Estas interacciones se describen matemáticamente mediante las ecuaciones de Maxwell .

A una temperatura determinada, cada material tiene una conductividad eléctrica que determina el valor de la corriente eléctrica cuando se aplica un potencial eléctrico . Los ejemplos de buenos conductores incluyen metales como el cobre y el oro , mientras que el vidrio y el teflón son malos conductores (son aislantes ). En cualquier material dieléctrico , los electrones permanecen unidos a sus respectivos átomos y el material se comporta como un aislante eléctrico . La mayoría de los semiconductores tienen un grado variable de conductividad entre los extremos del conductor y el aislante. Además, los metales tienen una estructura de banda electrónica , algunas de las cuales solo están parcialmente llenas. La presencia de este tipo de banda permite que los electrones se comporten como si estuvieran libres o deslocalizados. Cuando se aplica un campo eléctrico, pueden moverse como moléculas en un gas (llamado "  gas Fermi  ") a través de la materia, al igual que los electrones libres. Estos fenómenos son la base de toda la electricidad  : electrocinética , electrónica y radioelectricidad .

Debido a las colisiones entre electrones y átomos, la velocidad de desplazamiento de los electrones en un conductor es del orden de mm / s. Sin embargo, la velocidad a la que un cambio en la corriente en un punto de la materia afecta a las corrientes en otros puntos, la celeridad , es típicamente el 75% de la velocidad de la luz en el vacío. Esto sucede porque las señales eléctricas viajan como una onda, con una velocidad que depende solo de la constante dieléctrica , o permitividad, del medio.

Los metales son relativamente buenos conductores de calor, principalmente porque los electrones deslocalizados pueden transportar energía térmica de un átomo a otro. Sin embargo, a diferencia de la conductividad eléctrica, la conductividad térmica de un metal es prácticamente independiente de la temperatura. Esto se expresa matemáticamente por la ley de Wiedemann y Franz , quienes dicen que la relación entre la conductividad térmica y la conductividad eléctrica es proporcional a la temperatura. A medida que el desorden térmico de la red metálica aumenta la resistividad del medio, esto hace que la corriente eléctrica dependa de la temperatura.

Cuando se enfrían por debajo de una temperatura crítica , las sustancias pueden experimentar una transición de fase que hace que pierdan toda la resistividad a la corriente eléctrica, un fenómeno llamado "  superconductividad  ". En la teoría BCS , este comportamiento se explica por pares de electrones (que forman bosones ) que entran en el estado conocido como "  condensado de Bose-Einstein  ". Estos pares de Cooper ven su movimiento acoplado a la materia circundante por vibraciones de red llamadas "  fonones  ", evitando así colisiones con los átomos responsables de la resistencia eléctrica.

En los conductores sólidos, los electrones son cuasi-partículas. Cuando están fuertemente confinados a temperaturas cercanas al cero absoluto , se comportan como si se estuvieran descomponiendo en otras dos cuasi-partículas , spinones y chargeones. El primero lleva el giro y el momento magnético; el segundo, la carga eléctrica: esta es la separación de espín-carga .

Interacción de luz y electrones.

“Quiero hablarles sobre el área más conocida de la física, a saber, la interacción de la luz y los electrones. La mayoría de los fenómenos que le son familiares implican esta interacción de luz y electrones; este es el caso, por ejemplo, de todos los fenómenos físicos tratados por la química y la biología . Sólo los fenómenos de la gravitación y los procesos nucleares escapan a esta teoría [...] " -  Richard Feynman

El resplandor , que aparece en el material calentado, es causado por cambios en los electrones orbitales del átomo . La luminiscencia es una emisión de luz que se produce a temperaturas relativamente bajas y también es consecuencia de los cambios de los electrones orbitales en un átomo. Cuando un electrón se acelera, puede irradiar energía en forma de fotones . Esta radiación electromagnética se manifiesta en forma de ondas de radio , de microondas , con luz infrarroja a visible (percibida por el ojo humano) de UV , de rayos X o rayos gamma .

La difusión óptica , interacción entre la luz y los electrones explica la reflexión óptica . La dispersión de Rayleigh puede explicar el color del cielo y el color de las plumas de algunas aves. La refracción de las ondas electromagnéticas también es el resultado de la interacción de la luz y los electrones. Estos fenómenos ópticos también son causados ​​por la interacción de fotones con otras partículas cargadas como el protón . La mayoría de las interacciones de los fotones con la materia se reducen a tres fenómenos: el efecto fotoeléctrico , la dispersión de Compton y la producción de pares de electrones y positrones (o materialización). Aparecen la mayor parte del tiempo en presencia de electrones, porque son las partículas cargadas más ligeras. El efecto fotovoltaico se obtiene por absorción de fotones en un material semiconductor que luego genera pares electrón-hueco (excitación de un electrón de la banda de valencia a la banda de conducción) creando un voltaje o corriente eléctrica. Se utiliza en particular en paneles solares fotovoltaicos .

Movimiento y energia

De acuerdo a la especial de Albert Einstein de la relatividad , cuando la velocidad de un electrón se aproxima a la velocidad de la luz , desde el punto de vista de un observador, su masa relativista aumenta, por lo que es cada vez más difícil para acelerar de referencia del observador. Por tanto, la velocidad de un electrón puede acercarse a la velocidad de la luz en el vacío c , pero nunca alcanzarla. Si un electrón relativista, es decir, que se mueve a una velocidad cercana a c , se inyecta en un medio dieléctrico como el agua, donde la velocidad de la luz es significativamente menor que c , viajará más rápido que la luz en el medio. El desplazamiento de su carga en el medio producirá una ligera luz llamada "radiación de Cherenkov" por el efecto Cherenkov .

Los efectos de la relatividad especial se basan en una cantidad llamada factor de Lorentz , definida como

γ=1/1-v2/vs2{\ Displaystyle \ gamma = 1 / {\ sqrt {1- {v ^ {2}} / {c ^ {2}}}}},

donde v es la velocidad de la partícula. La energía cinética de un electrón que se mueve a velocidad v es: Kmi{\ Displaystyle K_ {e}}

Kmi=(γ-1)metromivs2,{\ Displaystyle K _ {\ mathrm {e}} = (\ gamma -1) m _ {\ mathrm {e}} c ^ {2},}

donde está la masa del electrón. Por ejemplo, el acelerador lineal de SLAC puede acelerar un electrón a aproximadamente 51 GeV . Dado que la masa del electrón es 0,51 MeV / c 2 , esto da un valor de aproximadamente 100.000 para . El momento relativista de tal electrón es por lo tanto 100.000 veces el que predeciría la mecánica clásica a un electrón de esta velocidad. metromi{\ Displaystyle m_ {e}} γ{\ Displaystyle \ gamma}

Dado que un electrón también se comporta como una onda, a una velocidad dada tiene una longitud de onda característica de De Broglie dada por

λmi=hpag,{\ Displaystyle \ lambda _ {e} = {\ frac {h} {p}},}

donde h es la constante de Planck y p el impulso .

Destrucción y creación

Los electrones se destruyen durante la captura de electrones que se produce en los núcleos de los átomos radiactivos. En 1937, estudiando reacciones nucleares en vanadio 49, el físico estadounidense Luis Walter Alvarez observó las primeras capturas electrónicas.

La mayoría de los electrones del Universo se crearon durante el Big Bang . También pueden producirse por radiactividad β de núcleos radiactivos y en colisiones de alta energía como las generadas por la penetración de rayos cósmicos en la atmósfera terrestre. Hay tres procesos de creación de electrones.

En el nacimiento del Universo

El Big Bang es la teoría científica más aceptada para explicar las primeras etapas de la evolución del Universo , que en 2011 se estimó en alrededor de 13,75 mil millones de años. Durante el primer milisegundo después del Big Bang, las temperaturas alcanzan los 10 7  K y los fotones tienen una energía promedio superior a 1  MeV . Por lo tanto, tienen energías suficientes para reaccionar juntos y formar pares electrón-positrón:

γ+γ ⇋ mi++mi-,{\ Displaystyle \ gamma \, + \, \ gamma ~ \ leftrightharpoons ~ \ mathrm {e} ^ {+} \, + \, \ mathrm {e} ^ {-},}

donde γ es un fotón , e + un positrón ye - un electrón. Por el contrario, los pares de electrones y positrones se aniquilan para emitir fotones energéticos. Por tanto, durante este período existe un equilibrio entre electrones, positrones y fotones. Después de 15 segundos, la temperatura del Universo ha caído por debajo del valor en el que puede tener lugar la creación de pares de positrones y electrones. La mayoría de los electrones y positrones restantes se aniquilan, liberando fotones que calientan el universo durante un tiempo.

Por razones aún desconocidas en la actualidad, durante el proceso de leptogénesis , en última instancia, hay más electrones que positrones. Como resultado, uno de cada mil millones de electrones sobrevivió al proceso de aniquilación. Este exceso compensó el exceso de protones en antiprotones , en el proceso llamado "  bariogénesis  ", lo que resultó en una carga neta cero para el Universo. Los protones y neutrones que sobrevivieron comenzaron a reaccionar juntos, en un proceso llamado nucleosíntesis primordial , formando isótopos de hidrógeno y helio , así como una pequeña cantidad de litio . Este proceso culminó después de 5 minutos. Todos los neutrones residuales han sufrido desintegración β , con una vida media de mil segundos, liberando un protón, un electrón y un antineutrino , por el proceso:

no ⇒ pag++mi-+ν¯mi,{\ Displaystyle \ mathrm {n} ~ \ Flecha derecha ~ \ mathrm {p} ^ {+} \, + \, \ mathrm {e} ^ {-} \, + \, {\ bar {\ mathrm {\ nu} }} _ {\ mathrm {e}},}

donde n es un neutrón , p un protón y un antineutrino electrónico. Durante el período comprendido entre 300.000 y 400.000 años, los electrones restantes son demasiado energéticos para unirse a los núcleos atómicos , y toda la luz que circula en el Universo es dispersada constantemente por estos electrones. Sigue un período conocido como "  recombinación  ", en el que se forman átomos neutros y el universo en expansión se vuelve transparente a la radiación. ν¯mi{\ Displaystyle {\ bar {\ mathrm {\ nu}}} _ {\ mathrm {e}}}

En las estrellas

Aproximadamente un millón de años después del Big Bang, comienza a formarse la primera generación de estrellas . En una estrella, la nucleosíntesis estelar da como resultado la producción de positrones por fusión de núcleos atómicos y la desintegración β + de los núcleos así producidos, lo que transforma el exceso de protones en neutrones. Los positrones así producidos se aniquilan inmediatamente con los electrones, produciendo rayos gamma . El resultado neto es una reducción constante en el número de electrones y la conservación de la carga por un número igual de transformaciones de protones a neutrones . Sin embargo, el proceso de la evolución estelar puede dar lugar a la síntesis de núcleos inestables pesados, los cuales a su vez pueden sufrir β - decaimientos , que recrean nuevos electrones. Un ejemplo es el nucleido cobalto 60 ( 60 Co), que se descompone en níquel 60 ( 60 Ni).

Al final de su vida, una estrella de más de 20 masas solares puede sufrir un colapso gravitacional para formar un agujero negro . Según la física clásica, estos objetos estelares masivos ejercen una atracción gravitacional lo suficientemente fuerte como para evitar que cualquier objeto, incluida la radiación electromagnética, escape del rayo de Schwarzschild . Sin embargo, los astrofísicos creen que los efectos cuánticos permiten que el agujero negro emita una radiación de Hawking débil a esta distancia y que los electrones (y positrones) se crean en el horizonte de los agujeros negros .

Cuando se crean pares de partículas virtuales, como un electrón y un positrón, cerca del horizonte, su distribución espacial aleatoria puede permitir que una de ellas aparezca en el exterior: este proceso se denomina efecto túnel cuántico. El potencial gravitacional del agujero negro puede proporcionar la energía que transforma esta partícula virtual en una partícula real, lo que le permite extenderse por el espacio. A cambio, el otro miembro del par recibe energía negativa, lo que resulta en una pérdida neta de masa-energía del agujero negro. La tasa de radiación de Hawking aumenta a medida que disminuye la masa, lo que finalmente hace que el agujero negro se evapore por completo.

Por rayos cósmicos

Los rayos cósmicos son partículas que se mueven en el espacio con energías muy elevadas. Se han observado eventos con energías de hasta 3  × 10 20  eV . Cuando estas partículas encuentran nucleones en la atmósfera de la Tierra , generan una lluvia de partículas, que comprenden piones . Más de la mitad de la radiación cósmica observada a nivel del suelo consiste en muones . El muón es un leptón producido en la atmósfera superior por la desintegración de un pión. A su vez, el muón se descompondrá para formar un electrón o un positrón. Entonces, para el pión negativo π - ,

π- → μ-+νμ¯,{\ Displaystyle \ mathrm {\ pi} ^ {-} ~ \ rightarrow ~ \ mathrm {\ mu} ^ {-} \, + \, {\ bar {\ mathrm {\ nu} _ {\ mathrm {\ mu} }}},} μ- → mi-+ν¯mi+νμ,{\ Displaystyle \ mathrm {\ mu} ^ {-} ~ \ rightarrow ~ \ mathrm {e} ^ {-} \, + \, {\ bar {\ mathrm {\ nu}}} _ {\ mathrm {e} } \, + \, \ mathrm {\ nu} _ {\ mathrm {\ mu}},}

donde está un muón y un neutrino muón . μ{\ Displaystyle \ mathrm {\ mu}}νμ{\ Displaystyle \ mathrm {\ nu} _ {\ mathrm {\ mu}}}

Observación

La observación de electrones a distancia requiere la detección de la energía que irradian. Por ejemplo, en entornos ricos en fenómenos energéticos como la corona de estrellas, los electrones libres forman un plasma y transmiten energía mediante una radiación de frenado continua . El gas de electrones puede experimentar una onda de plasma , que consiste en ondas causadas por cambios sincronizados en la densidad de electrones, lo que provoca emisiones de energía detectables con radiotelescopios .

En condiciones de laboratorio, las interacciones de un electrón se pueden observar mediante detectores de partículas , lo que permite medir propiedades específicas como energía, espín o carga. El desarrollo de las trampas de Paul y Penning permite contener partículas cargadas en un volumen pequeño durante largos períodos de tiempo. Esto permite mediciones precisas de las propiedades de las partículas.

Las primeras imágenes de la distribución de energía de un electrón fueron tomadas por un grupo de la Universidad de Lund en Suecia,Febrero de 2008. Los científicos utilizaron pulsos de luz muy cortos (1 attosegundo, o 10-18  s ), lo que hizo posible por primera vez observar el movimiento del electrón.

La distribución de electrones en sólidos se puede visualizar mediante espectrometría de fotoelectrones UV analizada en ángulo. Esta técnica utiliza el efecto fotoeléctrico para medir la red recíproca , una representación matemática de las estructuras periódicas que se utilizan para derivar la estructura original. ARPES se puede utilizar para determinar la dirección, velocidad y dispersión de electrones en el sólido.

Aplicaciones

Las propiedades del electrón se explotan en el microscopio electrónico , tubo de rayos catódicos , soldadura , efecto láser , sensor fotográfico y acelerador de partículas .

Expresiones

• Cadena de transporte de electrones  : una serie de enzimas y coenzimas que globalmente realizan dos acciones simultáneamente: transfiere electrones de donantes de electrones a aceptores de electrones durante sucesivas reacciones redox y asegura el bombeo de protones u otros cationes a través de una membrana biológica;
• Electrón anti-enlace: electrón que ocupa un orbital molecular anti-enlace  ;
• Electrones apareados: electrones de espín opuesto que ocupan el mismo orbital atómico o molecular;
•  Electrón Auger : electrón emitido por el efecto Auger;
• Electrón único: que ocupa un orbital atómico o molecular solo  ;
•  Electrón del núcleo : Electrones cercanos al núcleo atómico que no son electrones de valencia y, por lo tanto, no participan en el enlace químico  ;
• Electrón de conducción: ubicado en la banda de conducción de un sólido;
• Electrones equivalentes: electrones de un átomo que tienen los mismos números cuánticos n y l , por lo que ocupan la misma subcapa;
• Electrón K, L…: que pertenece a la capa K, L,  etc.  ;
• Electrón de unión: ocupa un orbital de unión de una molécula y, por tanto, participa en el enlace químico  ;
• Electrón libre: electrón débilmente unido al núcleo de un átomo. También, pictóricamente, se dice de una persona que actúa según sus valores, fuera de las normas establecidas por una institución.
• Electrón óptico: presente en la capa insaturada más externa del átomo, está involucrado en enlaces químicos;
• Electrón periférico: sinónimo de electrón de valencia;
•  Electrón secundario : electrón emitido por un sólido golpeado por electrones;
• Electrón solvatado  : presente en una solución química  ;
• Electrón de valencia  : presente en la capa insaturada más externa del átomo, emite radiación electromagnética que se estudia en espectroscopía atómica  ;
• Electrón-voltio  : unidad de medida de energía utilizada principalmente en física de partículas;
•  Láser de electrones libres: un tipo de láser que funciona utilizando electrones que no están unidos a un átomo, de ahí el adjetivo "libre", para crear fotones;
• Modelo de electrones libres  : se utiliza para estudiar el comportamiento de los electrones de valencia en la estructura cristalina de un sólido metálico;
• Radio clásico del electrón: si el electrón se considera una esfera, su radio teórico calculado de acuerdo con la mecánica cuántica  ;
• Radio del electrón: radio teórico del electrón;
• Teoría de los electrones de Lorentz  : Hendrik Lorentz propuso a finales del XIX °  siglo.

Otras expresiones, como "  modelo de electrones libres  " y "gas de electrones", incluyen la palabra "electrón".

Notas y referencias

(fr) Este artículo está tomado parcial o totalmente del artículo de Wikipedia en inglés titulado "  Electron  " ( consulte la lista de autores ) .

Notas

1. Según CODATA 2006, es más precisamente 9,109 382 6 (16) × 10 −31  kg . Según Augustine 2008, es 9,109 389 7 (54) × 10 −31  kg . Según CODATA 2010, es 9,109 382 91 (40) × 10 −31  kg .
2. Según CODATA 2006, es más precisamente 510.998 918 (44)  keV . Según Augustine 2008, es 510.999 06 (15)  keV . Según CODATA 2010, es 510.998 928 (11)  keV .
3. Según CODATA 2006, la relación es más precisamente 1.836.152.672 45 (75).
4. Según el CODATA 2006 es específicamente -1,602 53 176 (14) × 10 -19  C . Según el CODATA 2010, es -1,602 176 565 (35) × 10 -19  C . En una conferencia en noviembre de 2018, la Conferencia General de Pesos y Medidas quiere establecer el valor de la carga eléctrica del electrón a 1602 176 534 x 10 -19  C .
5. En la teoría de supercuerdas , el electrón no es puntual porque hay "sólo un constituyente elemental: una cuerda unidimensional muy pequeña" .
6. Este valor numérico se obtiene de la siguiente manera: rmi=14πε0mi2metromivs2{\ displaystyle r _ {\ mathrm {e}} = {\ frac {1} {4 \ pi \ varepsilon _ {0}}} {\ frac {e ^ {2}} {m _ {\ mathrm {e} } c ^ {2}}}}= 2.817 940 326 7 (27) × 10-15  m donde y son la carga eléctrica y la masa del electrón, es la velocidad de la luz en el vacío y es la permitividad del vacío ( Griffiths 1995 , p.  155).mi{\ Displaystyle e}metromi{\ Displaystyle m _ {\ mathrm {e}}}vs{\ Displaystyle c}ε0{\ Displaystyle \ varepsilon _ {0}}
7. El radio clásico del electrón interviene de la siguiente manera: supongamos que la carga del electrón se distribuye uniformemente en un volumen esférico. Dado que las partes del volumen se repelen entre sí, la esfera contiene energía potencial electrostática. Supongamos que esta energía es igual a la energía en reposo E definida por la relación relativista , donde m es la masa en reposo yc la velocidad de la luz en el vacío. En electrostática , la energía potencial de una esfera de radio r y carga e viene dada por :, donde ε 0 es la permitividad del vacío . Al igualar estos dos valores, obtenemos el valor cotizado de r .mi=metrovs2{\ Displaystyle E = mc ^ {2}}mi=mi2/(8πϵ0r){\ Displaystyle E = e ^ {2} / (8 \ pi \ epsilon _ {0} r)}
8. Este valor se obtiene del valor del giro mediante: S{\ Displaystyle S}s=1/2{\ Displaystyle s = 1/2}S=s(s+1)⋅h2π=32ℏ.{\ Displaystyle {\ begin {alineado} {2} S & = {\ sqrt {s (s + 1)}} \ cdot {\ frac {h} {2 \ pi}} \\ & = {\ frac {\ sqrt {3}} {2}} \ hbar. \\\ end {alignedat}}}(en) MC Gupta , Espectroscopía atómica y molecular , New Age Publishers,2001( ISBN  81-224-1300-5 ) , pág.  81
9. El magneton de Bohr se calcula mediante: μB=miℏ2metromi{\ Displaystyle \ mu _ {\ mathrm {B}} = {\ frac {e \ hbar} {2m _ {\ mathrm {e}}}}}, con la carga elemental , la constante de Planck reducida y la masa del electrón.mi{\ Displaystyle e}ℏ{\ Displaystyle \ hbar}metromi{\ Displaystyle m_ {e}}
10. Es específicamente 9,274 009 15 (23) × 10 -24  J / T .
11. Esta polarización se confirmó experimentalmente en 1997 utilizando el acelerador de partículas japonés TRISTAN .
12. La radiación emitida por electrones no relativistas a veces se denomina "  radiación ciclotrónica  ".
13. El cambio en la longitud de onda depende del ángulo de retroceso de la siguiente manera: Δλ{\ Displaystyle \ Delta \ lambda}θ{\ Displaystyle \ theta}Δλ=h(1-porque⁡θ)/(metromivs){\ Displaystyle \ Delta \ lambda = h (1- \ cos \ theta) / (m_ {e} c)} donde es la constante de Planck , la masa del electrón yc es la velocidad de la luz en el vacío.h{\ Displaystyle h}metromi{\ Displaystyle m_ {e}}
14. Al estar cerca de c la velocidad del electrón , la mecánica clásica daría un momento mc , mientras que la mecánica relativista da , por lo tanto, un factor de 100.000.metrovγ≈metrovsγ{\ Displaystyle mv \ gamma \ approx mc \ gamma}
15. El momento magnético del electrón se midió con una precisión de 11 dígitos significativos, que en 1980 era mayor que la medición de cualquier otra constante física.

Cotizaciones originales

1. (in) "  solo hay un elemental que constituye una pequeña" cuerda "unidimensional,  "

Referencias

1. Para obtener más detalles, consulte, por ejemplo, Dahl 1997 , p.  72.
2. Los datos se publican en un portal del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) y se puede acceder a ellos a través de un motor de búsqueda o haciendo clic en los botones: (por) "  La referencia del NIST sobre constantes, unidades e incertidumbre  " , Instituto Nacional de Estándares y Tecnología ,2006(consultado el 22 de febrero de 2010 ) . Estos datos se denominan CODATA. La fuente original de datos CODATA es Mohr, Taylor y Newell 2006 .
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Apéndices

Bibliografía

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Artículos relacionados

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• Electrón solvatado
• Efecto fotoeléctrico
• Emoción (física)
• Β partícula
• Movilidad de los portadores de cargas
• Difusión Compton
• Lista de aplicaciones de las propiedades de los electrones

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