Էլեկտրոն

Էլեկտրոն (հին հունարեն՝ ἤλεκτρον), բացասական լիցք ունեցող կայուն տարրական մասնիկ, նյութի հիմնական կառուցվածքային միավորը։ Էլեկտրոններից է բաղկացած ատոմների էլեկտրոնային թաղանթը, որտեղ նրանց թիվն ու դիրքը որոշում են նյութի քիմիական հատկությունները։ Ազատ էլեկտրոնների շարժը որոշում է այնպիսի երևույթներ, ինչպիսին էլեկտրական հոսանքն է վակուումում և հաղորդիչներում։

Էլեկտրոնների հանգստի զանգվածը 9.10956 × 10⁻²⁸ գր է, իսկ լիցքը՝ 1.60219 × 10⁻¹⁹ կուլոն։ Էլեկտրոնի հակամասնիկը է, պոզիտրոնն է, որը դրական լիցք ունի։ Եթե հարմար պարագայում, մեկ էլեկտրոն և մեկ պոզիտրոն բախվեն իրար, երկու պոզիտրոնը ու էլեկտրոնը կվերանան և իրենց փոխարեն երկու ֆոտոն կարձակվի։ Այս ընթացքը կոչվում է էլեկտրոնի չեզոքացում (անիհիլացում), իսկ հայտնվող ֆոտոնները կոչվում են չեզոքացման ճառագայթում։

Ձևավորումը

Էլեկտրոնի և պոզիտրոնի զույգ արտադրություն, որն առաջանում է ատոմային միջուկով ֆոտոնի մոտեցման հետևանքով: Կայծակի խորհրդանիշը ներկայացնում է վիրտուալ ֆոտոնի փոխանակում, հետևաբար գործում է էլեկտրական ուժ: Մասնիկների միջև անկյունը շատ փոքր է:

Մեծ պայթյունի տեսությունը ամենալայն ընդունված գիտական ​​տեսությունն է, որը բացատրում է Տիեզերքի էվոլյուցիայի վաղ փուլերը: Էլեկտրոնները [[Սպին|սպինը-Կաղապար:Sfrac]] ֆերմիոններից են և պատկանում են լեպտոնների ընտանաիքին: Մեծ պայթյունի առաջին միլիվայրկյանում ջերմաստիճանը կազմում էր ավելի քան 10 միլիարդ կելվին, իսկ ֆոտոնները ունեին ավելի քան մեկ միլիոն էլեկտրոնվոլտ միջին էներգիա: Այս ֆոտոնները բավականաչափ էներգետիկ էին, որ նրանք կարող էին փոխազդել միմյանց հետ՝ ձևավորելով էլեկտրոնների և պոզիտրոնների զույգեր: Նմանապես, պոզիտրոն-էլեկտրոն զույգերը ոչնչացրեցին միմյանց և արձակեցին էներգետիկ ֆոտոններ.

γ + γ ↔ e⁺ + e^-

Էլեկտրոնների, պոզիտրոնների և ֆոտոնների միջև հավասարակշռությունը պահպանվել է Տիեզերքի էվոլյուցիայի այս փուլում: 15 վայրկյան անցնելուց հետո, սակայն, տիեզերքի ջերմաստիճանը իջավ այն շեմից, որտեղ կարող էր տեղի ունենալ էլեկտրոն-պոզիտրոնների ձևավորում: Փրկված էլեկտրոնների և պոզիտրոնների մեծ մասը ոչնչացրեցին միմյանց՝ արձակելով գամմա ճառագայթում, որը կարճ ժամանակով նորից տաքացրեց տիեզերքը: Անորոշ պատճառներով, ոչնչացման գործընթացում մասնիկների քանակի ավելցուկ է եղել հակամասնիկների նկատմամբ: Այսպիսով, յուրաքանչյուր միլիարդ էլեկտրոն-պոզիտրոն զույգի դիմաց գոյատևել է մոտ մեկ էլեկտրոն: Այս ավելցուկը համընկնում էր հակապրոտոնների նկատմամբ պրոտոնների ավելցուկին, որը հայտնի է որպես բարիոնի ասիմետրիա, որի արդյունքում տիեզերքի համար զուտ լիցքը զրոյական է: Փրկված պրոտոններն ու նեյտրոնները սկսեցին մասնակցել միմյանց հետ ռեակցիաներին՝ գործընթացում, որը հայտնի է որպես նուկլեոսինթեզ՝ ձևավորելով ջրածնի և հելիումի իզոտոպներ՝ լիթիումի հետքերով: Այս գործընթացը գագաթնակետին հասավ մոտ հինգ րոպե անց: Ցանկացած մնացորդ նեյտրոն ենթարկվել է բացասական բետա քայքայման՝ մոտավորապես հազար վայրկյան կիսամյակի տեւողությամբ՝ այդ գործընթացում ազատելով պրոտոն և էլեկտրոն.

n → p⁺ + e^- + $\overline{ve}$

Մոտավորապես հաջորդի համար 300 000–400 000 տարի ավելորդ էլեկտրոնները մնացին չափազանց էներգետիկ ատոմային միջուկների հետ կապվելու համար: Հետևեց մի ժամանակաշրջան, որը հայտնի է որպես ռեկոմբինացիա, երբ ձևավորվեցին չեզոք ատոմները, և ընդարձակվող տիեզերքը դարձավ թափանցիկ ճառագայթման համար:

Մեծ պայթյունից մոտավորապես մեկ միլիոն տարի անց աստղերի առաջին սերունդը սկսեց ձևավորվել: Աստղի ներսում աստղային նուկլեոսինթեզը հանգեցնում է ատոմային միջուկների միաձուլումից պոզիտրոնների արտադրությանը: Այս հականյութի մասնիկները անմիջապես ոչնչացվում են էլեկտրոնների հետ՝ արձակելով գամմա ճառագայթներ: Զուտ արդյունքը էլեկտրոնների քանակի կայուն կրճատումն է և նեյտրոնների թվի համապատասխան աճը: Այնուամենայնիվ, աստղերի էվոլյուցիայի գործընթացը կարող է հանգեցնել ռադիոակտիվ իզոտոպների սինթեզի: Ընտրված իզոտոպները կարող են հետագայում ենթարկվել բացասական բետա քայքայման՝ միջուկից արտանետելով էլեկտրոն և հականեյտրինո:

Իր կյանքի վերջում մոտ 20-ից ավելի արեգակնային զանգված ունեցող աստղը կարող է գրավիտացիոն փլուզման ենթարկվել՝ ձևավորելով սև խոռոչ: Համաձայն դասական ֆիզիկայի, այս հսկայական աստղային մարմինները գրավիտացիոն գրավչություն են գործադրում, որը բավականաչափ ուժեղ է, որպեսզի կանխի որևէ բան, նույնիսկ էլեկտրամագնիսական ճառագայթումը, որ փախչի Շվարցշիլդի շառավիղից: Այնուամենայնիվ, ենթադրվում է, որ քվանտային մեխանիկական ազդեցությունները պոտենցիալ թույլ են տալիս Հոքինգի ճառագայթման արտանետումը այս հեռավորության վրա: Ենթադրվում է, որ էլեկտրոնները (և պոզիտրոնները) ստեղծվել են այս աստղային մնացորդների իրադարձությունների հորիզոնում: Երբ մի զույգ վիրտուալ մասնիկներ ստեղծվում են իրադարձությունների հորիզոնի մոտակայքում, պատահական տարածական դիրքավորումը կարող է հանգեցնել նրանցից մեկի արտաքին տեսքին. այս գործընթացը կոչվում է քվանտային թունելավորում: Այնուհետև սև խոռոչի գրավիտացիոն պոտենցիալը կարող է էներգիա մատակարարել, որն այս վիրտուալ մասնիկը վերածում է իրական մասնիկի՝ թույլ տալով նրան տարածվել դեպի տարածություն: Փոխարենը, զույգի մյուս անդամին տրվում է բացասական էներգիա, ինչը հանգեցնում է սև խոռոչի կողմից զանգված-էներգիայի զուտ կորստի։ Հոքինգի ճառագայթման արագությունը մեծանում է զանգվածի նվազման հետ՝ ի վերջո ստիպելով սև խոռոչը գոլորշիանալ, մինչև վերջապես այն պայթի: Տիեզերական ճառագայթները բարձր էներգիայով տարածության միջով անցնող մասնիկներ են: Էներգետիկ իրադարձություններ այնքան բարձր, որքան արձանագրվել է 3.0 × 10²⁰ Էվ: Երբ այս մասնիկները բախվում են Երկրի մթնոլորտում նուկլեոնների հետ, առաջանում է մասնիկների հոսք, ներառյալ պիոնները: Երկրի մակերեւույթից դիտվող տիեզերական ճառագայթման կեսից ավելին բաղկացած է մյուոններից:

Դիտարկում

Ավրորաները հիմնականում առաջանում են էներգետիկ էլեկտրոնների պատճառով, որոնք նստում են մթնոլորտ:

Էլեկտրոնների հեռահար դիտարկումը պահանջում է դրանց ճառագայթված էներգիայի հայտնաբերում: Օրինակ, բարձր էներգիայի միջավայրում, ինչպիսին է աստղի պսակը, ազատ էլեկտրոնները ձևավորում են պլազմա, որը էներգիա է ճառագայթում Բրեմսստրահլունգի ճառագայթման շնորհիվ: Էլեկտրոնային գազը կարող է ենթարկվել պլազմայի տատանումների, որոնք ալիքներ են, որոնք առաջանում են էլեկտրոնների խտության համաժամանակյա տատանումներից, և դրանք արտադրում են էներգիայի արտանետումներ, որոնք կարելի է հայտնաբերել ռադիոաստղադիտակների միջոցով: Ֆոտոնի հաճախականությունը համաչափ է նրա էներգիային: Երբ կապված էլեկտրոնն անցնում է ատոմի տարբեր էներգիայի մակարդակների միջև, այն կլանում կամ արտանետում է ֆոտոններ բնորոշ հաճախականություններով: Օրինակ, երբ ատոմները ճառագայթվում են լայն սպեկտրով աղբյուրի կողմից, փոխանցվող ճառագայթման սպեկտրում հստակ մուգ գծեր են հայտնվում այն ​​վայրերում, որտեղ համապատասխան հաճախականությունը կլանում է ատոմի էլեկտրոնները: Յուրաքանչյուր տարր կամ մոլեկուլ ցուցադրում է սպեկտրալ գծերի բնորոշ շարք, ինչպիսին է ջրածնի սպեկտրային շարքը: Երբ հայտնաբերվում է, այս գծերի ամրության և լայնության սպեկտրոսկոպիկ չափումները թույլ են տալիս որոշել նյութի բաղադրությունը և ֆիզիկական հատկությունները:

Լաբորատոր պայմաններում առանձին էլեկտրոնների փոխազդեցությունները կարելի է դիտարկել մասնիկների դետեկտորների միջոցով, որոնք թույլ են տալիս չափել հատուկ հատկություններ, ինչպիսիք են էներգիան, սպինը և լիցքը: Փոլի թակարդի և Փենինգի թակարդի զարգացումը թույլ է տալիս լիցքավորված մասնիկներին երկար ժամանակ պահել փոքր տարածքում։ Սա թույլ է տալիս ճշգրիտ չափել մասնիկների հատկությունները: Օրինակ, մի օրինակում Penning թակարդն օգտագործվել է մեկ էլեկտրոն պարունակելու համար 10 ամիս ժամկետով: Էլեկտրոնի մագնիսական մոմենտը չափվել է տասնմեկ թվանշանների ճշգրտությամբ, որը 1980 թվականին ավելի մեծ ճշգրտություն էր, քան ցանկացած այլ ֆիզիկական հաստատուն: Էլեկտրոնի էներգիայի բաշխման առաջին տեսագրությունները նկարահանվել են Շվեդիայի Լունդ համալսարանի խմբի կողմից 2008թ. փետրվարին: Գիտնականներն օգտագործել են լույսի չափազանց կարճ շողեր, որոնք կոչվում են ատտվայրկյանական իմպուլսներ, որոնք թույլ են տվել էլեկտրոնի շարժումն առաջին անգամ դիտարկել:

Պինդ նյութերում էլեկտրոնների բաշխումը կարելի է պատկերացնել անկյունային լուծված ֆոտոէմիսիոն սպեկտրոսկոպիայի միջոցով (ARPES): Այս տեխնիկան օգտագործում է ֆոտոէլեկտրական էֆեկտը՝ փոխադարձ տարածությունը չափելու համար՝ պարբերական կառուցվածքների մաթեմատիկական ներկայացում, որն օգտագործվում է սկզբնական կառուցվածքը պարզելու համար: ARPES-ը կարող է օգտագործվել նյութի ներսում էլեկտրոնների ուղղությունը, արագությունը և ցրումը որոշելու համար: