Приглашаем посетить сайт

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах
ЭЛЕКТРОН

ЭЛЕКТРОН

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 _e9,1 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 е/(2m _е с) = 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 _е е² =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. А. А. Комар.