전자

Electron
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전자
Atomic-orbital-clouds spd m0.png
수소 원자 궤도는 에너지 수준이 다르죠더 불투명한 영역은 주어진 시간에 전자를 찾을 가능성이 가장 높은 영역입니다.
구성.소립자[1]
통계 정보페르미온
가족렙톤
시대첫번째
상호 작용중력, 전자기, 약함
기호.
e−
,
β−
반입자양전자[a]
이론화리처드 라밍 (1838–1851)[2]
G. Johnstone Stoney(1874) 및 기타.[3][4]
발견된J. J. 톰슨(1897년)[5]
덩어리9.1203837015(28)×10kg−31[6]
5.48579909070(16)×10−4 Da[7]
[1822.8884845(14)]−1 다[b]
0.51099895000(15) MeV/c2[6]
평균 수명안정(6.6×10년 이상28[8])
전하- 1 e[c]
- 1.602176634×10−19 C[6]
- 4.80320451(10)×10−10 esu
자기 모멘트- 1.00115965218091(26B) »[7]
스핀 1 /2
약한 아이소스핀좌측: - 1/2, 우측: 0
약한 하이퍼차지좌측: -1, 우측: -2
입자물리학 표준모형
Up quarkCharm quarkTop quarkGluonHiggs bosonDown quarkStrange quarkBottom quarkPhotonElectronMuonTau (particle)Z bosonElectron neutrinoMuon neutrinoTau neutrinoW bosonStandard ModelFermionBosonQuarkLeptonScalar bosonGauge bosonVector bosonStandard Model of Elementary Particles.svg
About this image
표준 모형의 소립자
배경
입자 물리학
표준 모델
양자장론
게이지 이론
자발적 대칭 깨짐
힉스 메커니즘
구성 요소
전약 상호작용
양자 색역학
CKM 매트릭스
표준 모형 수학
제한 사항
강력한 CP 문제
계층 문제
중성미자 진동
표준 모델을 뛰어넘는 물리
과학자
러더퍼드 · 톰슨 · 채드윅 · 보스 · 수다르산 · 데이비스 주니어 · 앤더슨 · 페르미 · 디락 · 파인만 · 루비아 · 겔만 · 켄달 · 테일러 · 프리드먼 · 파월 · P. W. 앤더슨 · 글래쇼 · 일리오풀로스 · 레더맨 · 마이아니 · 미어 · 코완 · 남부 · 체임벌린 · 카비보 · 슈와츠 · 펄 · 마요라나 · 와인버그 · 이씨 · 워드 · 살람 · 고바야시 · 마스카와 · 판 데르 미어 · 밀스 · 양 · 유카와 · '호프트 없음' · 벨트만 · 징그러워 · 페이즈 · 파울리 · 폴리처 · 라인 · 슈윙거 · 빌체크 · 크로닌 · 피치 · 렉 · 힉스 · 영어 · 브루트 · 하겐 · 구랄니크 · 키블 · 산티아고 안투네스 데 마욜로 · 세자르 라테스 · 쯔바이크

전자는 아원자 입자(기호−
 e 또는−
 β 또는 - _{-1} e로 표시됨)로 전하가 마이너스 1의 기본 [9]전하입니다.전자는 렙톤 입자군의 [10]1세대에 속하며, 알려진 성분이나 하부 [1]구조가 없기 때문에 일반적으로 소립자로 생각됩니다.전자의 질량은 양성자 [11]질량의 약 1836배이다.전자의 양자역학적 특성은 플랑크 상수 δ 단위로 표시되는 반정수 값의 고유각운동량(스핀)을 포함한다. 페르미온이기 때문에 파울리 배타원리에 [10]따라 두 전자는 동일한 양자상태를 가질 수 없다.모든 소립자와 마찬가지로 전자는 입자와 파동의 특성을 모두 나타냅니다.그것들은 다른 입자와 충돌할 수 있고 빛처럼 회절될 수 있다.전자의 파동 특성은 중성자나 양성자와 같은 다른 입자의 파동보다 관찰하기 쉽습니다. 왜냐하면 전자는 더 낮은 질량을 가지고 있기 때문에 주어진 에너지에 대해 더 긴 드 브로글리 파장을 가지고 있기 때문입니다.

전자는 전기, 자기, 화학 및 열전도성과 같은 수많은 물리적 현상에 필수적인 역할을 하며, 중력,[12] 전자기 및 약한 상호작용에도 관여합니다.전자는 전하를 띠기 때문에 주변 전계를 가지고 있으며, 만약 그 전자가 관찰자에 대해 상대적으로 움직인다면, 관찰자는 자기장을 생성하기 위해 그것을 관찰할 것이다.다른 소스로부터 생성된 전자기장은 로렌츠 힘의 법칙에 따라 전자의 움직임에 영향을 미칩니다.전자는 가속될 때 광자의 형태로 에너지를 방출하거나 흡수합니다.실험실 기구는 전자장을 이용하여 전자 플라즈마뿐만 아니라 개별 전자도 가둘 수 있습니다.특수 망원경은 우주 공간에서 전자 플라즈마를 탐지할 수 있다.전자는 트라이벌로지 또는 마찰충전, 전기분해, 전기화학, 배터리 기술, 전자, 용접, 음극선관, 광전기, 태양광발전 태양전지판, 전자현미경, 방사선치료, 레이저, 가스이온화 검출기 및 입자 가속기와 같은 많은 응용 분야에 관여합니다.

전자와 다른 아원자 입자의 상호작용은 화학과 핵물리학과 같은 분야에서 흥미롭다.원자핵 내의 양성자와 없는 음전자 사이의 쿨롱 힘의 상호작용은 원자라고 알려진 두 개의 구성을 가능하게 합니다.이온화 또는 음전자와 양전자의 비율의 차이는 원자 시스템의 결합 에너지를 변화시킨다.두 개 이상의 원자 사이의 전자 교환 또는 공유는 화학적 [13]결합의 주요 원인입니다.1838년 영국의 자연철학자 리처드 라밍은 [3]원자의 화학적 성질을 설명하기 위해 분리할 수 없는 양의 전하의 개념을 처음으로 가설화했다.아일랜드의 물리학자 조지 존스톤 스토니는 1891년에 이 전하를 '전자'라고 이름 붙였고, J. 톰슨과 그의 영국 물리학자 팀은 1897년 브라운관 [5]실험 중에 이 전하를 입자라고 확인했다.전자는 또한 베타 입자로 알려진 별에서의 핵합성 같은 핵 반응에 참여할 수 있습니다.전자는 방사성 동위원소의 베타 붕괴와 고에너지 충돌(예: 우주선이 대기에 들어올 때)을 통해 생성될 수 있다.전자의 반입자는 양전자라고 불리며, 반대편 부호의 전하를 운반한다는 점을 제외하면 전자와 동일하다.전자가 양전자와 충돌할 때, 두 입자는 모두 전멸하여 감마선 광자를 생성할 수 있다.

역사

다음 항목도 참조하십시오.전자기학의 역사

전기의 효과 발견

고대 그리스인들은 호박은 털로 문지르면 작은 물체들을 끌어당긴다는 것을 알아챘다.번개와 함께, 이 현상은 인류가 전기를 [14]사용한 가장 이른 경험 중 하나이다.영국의 과학자 윌리엄 길버트는 1600년 그의 논문 'De Magnete'에서 [15]작은 물체를 문지른 후에 끌어당기는 호박과 유사한 성질을 가진 물질들을 지칭하기 위해 '신 라틴어 전기'라는 용어를 만들었다.전기와 전기는 모두 라틴어 '렉트룸'(동명의 합금의 뿌리)에서 유래한 것으로, 그리스어로 호박을 뜻하는 '렉트론'에서 유래했다.

2종류의 전하의 발견

1700년대 초, 프랑스의 화학자 샤를 프랑수아 뒤 파이는 대전된 금박을 비단으로 문지른 유리에 의해 밀어낸다면, 같은 대전된 금박을 양털로 문지른 호박에 의해 끌어당긴다는 것을 발견했습니다.이와 유사한 유형의 실험 결과로부터, du Fay는 전기가 비단으로 문지른 유리에서 나온 유리액과 양털로 문지른 호박에서 나온 수지액 두 가지 전기액으로 이루어져 있다고 결론지었다.이 두 유체는 [15][16]결합하면 서로를 중화시킬 수 있습니다.미국의 과학자 에베네저 키너슬리도 나중에 독립적으로 같은 [17]: 118 결론에 도달했다.10년 후 벤자민 프랭클린은 전기는 다른 유형의 전기 유체가 아니라 과잉(+) 또는 결핍(-)을 나타내는 단일 전기 유체라고 제안했다.그는 그들에게 각각 [18]양전하와 음전하의 현대적 명명법을 주었다.프랭클린은 전하 캐리어를 양성으로 생각했지만, 어떤 상황이 전하 캐리어의 잉여이고, 어떤 상황이 [19]적자인지 정확하게 식별하지 못했습니다.

1838년과 1851년 사이에, 영국의 자연 철학자인 리차드 라밍은 원자가 단위 [2]전하를 가진 아원자 입자로 둘러싸인 물질의 핵으로 구성되어 있다는 생각을 발전시켰다.1846년부터, 독일의 물리학자 빌헬름 에두아르트 베버는 전기는 양전하와 음전하를 띤 유체로 구성되며, 이들의 상호작용은 역제곱 법칙에 의해 지배된다고 이론을 세웠다.1874년 전기 분해 현상을 연구한 후, 아일랜드의 물리학자 조지 존스톤 스토니는 "단일 일정한 양의 전기"가 존재한다고 주장했는데, 이는 1가 이온의 전하였다.그는 패러데이의 전기 [20]분해 법칙에 의해 이 기본 전하 e의 값을 추정할 수 있었다.하지만 스토니는 이러한 전하가 원자에 영구적으로 부착되어 제거될 수 없다고 믿었다.1881년, 독일의 물리학자 헤르만 폰 헬름홀츠는 양전하와 음전하가 모두 "전기의 원자처럼"[3] 작용하는 소자 부분으로 나뉘어져 있다고 주장했다.

스토니는 1881년에 일렉트로리온이라는 용어를 처음 만들었다.10년 후, 그는 이러한 기본 전하를 설명하기 위해 전자로 전환하였고, 1894년에 다음과 같이 썼다. "... 이 가장 주목할 만한 전기 단위의 실제 양에 대한 추정이 이루어졌으며, 그 이후로 나는 감히 전자라는 이름을 제안해 왔다."1906년 헨드릭 로렌츠가 [21][22]전자를 유지하는 것을 선호했기 때문에 전기 이온으로 바꾸자는 제안은 실패했다.전자라는 단어는 전기와 [23]이온의 합성어이다.현재 양성자나 중성자와 같은 다른 아원자 입자를 지정하는 데 사용되는 접미사 -on은 차례로 [24][25]전자에서 파생된다.

물질 외부의 자유 전자 발견

A round glass vacuum tube with a glowing circular beam inside
자기장에 의해 원 모양으로[26] 휘어지는 전자 빔

1859년 희박한 가스의 전기 전도율을 연구하면서, 독일의 물리학자 줄리어스 플뤼커는 음극에서 방출된 방사선이 음극 근처의 튜브 벽에 나타나게 하는 것을 관찰했다; 그리고 형광등 영역은 자기장을 [27]적용함으로써 움직일 수 있었다.1869년, 플뤼커의 제자 요한 빌헬름 히토프는 음극과 인광 사이에 위치한 고체 물체가 튜브의 형광 영역에 그림자를 드리울 것이라는 것을 발견했습니다.히토프는 음극에서 방출되는 직선 광선이 있으며 인광은 튜브 벽에 부딪히는 광선에 의해 발생했다고 추정했다.1876년, 독일의 물리학자 유겐 골드스타인은 이 광선이 음극 표면과 수직으로 방출된다는 것을 보여주었고, 이는 음극에서 방출된 광선과 백열등을 구별했다.골드스타인은 광선을 음극선이라고 [28][29]: 393 불렀다.J. J. Thomson이 [3]전자를 발견하는 데는 음극선을 포함한 수십 년간의 실험적이고 이론적인 연구가 중요했습니다.

1870년대에 영국의 화학자이자 물리학자 윌리엄 크룩스는 내부에 [30]고진공을 가진 최초의 음극선관을 개발했다.그리고 그는 1874년에 음극선이 그 경로에 놓였을 때 작은 패들 휠을 회전시킬 수 있다는 것을 보여주었다.따라서, 그는 광선이 탄력을 전달한다고 결론지었다.게다가 자기장을 가함으로써, 그는 광선을 편향시킬 수 있었고, 이로 인해 빔이 [28]음전하를 띤 것처럼 행동했다는 것을 증명했다.1879년, 그는 입자의 평균 자유 경로가 너무 길어서 충돌이 [29]: 394–395 무시될 수 있는 물질의 네 번째 상태에서 음극선을 음전하를 띤 기체 분자로 구성함으로써 이러한 성질을 설명할 수 있다고 제안했다.

독일 태생의 영국 물리학자 아서 슈스터는 금속판을 음극선에 평행하게 놓고 그 사이에 전위를 [31]가함으로써 크룩스의 실험을 확대했다.전기장은 광선을 양극으로 대전된 판 쪽으로 편향시켜 광선이 음전하를 띠고 있다는 추가 증거를 제공했다.일정 수준의 전류에 대한 편향량을 측정함으로써 1890년 슈스터는 광선 성분의 전하 대 질량비를[d] 추정할 수 있었습니다.하지만, 이것은 기대했던 것보다 천 배 이상 큰 가치를 만들어 냈기 때문에,[28] 당시 그의 계산에는 거의 신빙성이 주어지지 않았다.이것은 전하 운반체가 훨씬 더 무거운 수소나 질소 [31]원자로 추정되었기 때문이다.슈스터의 추정은 결과적으로 대체로 맞는 것으로 판명될 것이다.

1892년 헨드릭 로렌츠는 이러한 입자(전자)의 질량이 [32]전하의 결과일 수 있다고 제안했다.

J. J. 톰슨

1896년 자연 형광 광물을 연구하던 프랑스 물리학자 앙리 베크렐은 이 광물이 외부 에너지원에 노출되지 않고 방사선을 방출한다는 것을 발견했다.이 방사성 물질들은 입자를 방출하는 것을 발견한 뉴질랜드 물리학자 어니스트 러더포드를 포함한 과학자들에 의해 많은 관심의 대상이 되었다.그는 [33]물질을 투과할 수 있는 능력을 바탕으로 이 입자들을 알파와 베타라고 명명했다.1900년 베크렐은 라듐에 의해 방출된 베타선이 전장에 의해 편향될 수 있으며, 그 질량 대 전하비가 음극선과 [34]같다는 것을 보여주었다.이 증거는 전자가 [35][36]원자의 구성요소로 존재한다는 관점을 강화했다.

1897년 영국의 물리학자 J. J. 톰슨과 그의 동료 존 S. 타운센드와 H. A. 윌슨은 음극선이 이전에 [5]믿었던 것처럼 파동, 원자 또는 분자가 아닌 독특한 입자임을 나타내는 실험을 수행했다.Thomson은 전하 e와 질량 m을 모두 잘 추정했는데, 그가 "콜퍼스클"이라고 불렀던 음극선 입자가 알려진 가장 작은 이온인 [5]수소의 1000분의 1 정도 질량을 가지고 있다는 것을 발견했습니다.그는 이들의 전하 대 질량비 e/m이 음극 재료와 무관하다는 것을 보여주었다.그는 또한 방사성 물질, 가열된 물질 및 조명 물질에 의해 생성된 음전하 입자가 [5][37]보편적이라는 것을 보여주었다.전자라는 이름은 주로 G. F. FitzGerald, J. Larmor,[38]: 273 그리고 H. A. Lorentz가 옹호했기 때문에 과학계에 의해 이 입자들을 위해 채택되었습니다.같은 해에 Emil Wiechert와 Walter Kaufmann도 e/m 비율을 계산했지만 결과를 해석하는 데 실패했으며, 1899년에는 J. J. Thomson이 후속적으로 전자 전하와 질량에 대한 추정치를 제공하였다: e~6.8×10−10 esu 및 m~3×10−26[39][40] g

로버트 밀리컨

미국 물리학자 로버트 밀리칸과 하비 플레처는 1909년 석유 투하 실험에서 전자의 전하를 더 신중하게 측정했는데, 그 결과는 1911년에 발표되었다.이 실험은 중력의 결과로 대전된 기름 방울이 떨어지는 것을 막기 위해 전기장을 사용했다.이 장치는 오차범위가 0.3% 미만인 1~150개의 이온에서 전하를 측정할 수 있습니다.앞서 톰슨 [5]팀은 전기 분해에 의해 생성된 하전 물방울 구름을 이용하여 비교 실험을 수행하였고, 1911년 아브람 이오페는 하전 금속 미립자를 사용하여 밀리칸과 같은 결과를 독립적으로 얻어 1913년에 [41]결과를 발표했다.하지만, 기름 방울은 증발 속도가 느리기 때문에 물방울보다 안정적이었고, 따라서 더 오랜 시간에 [42]걸친 정밀한 실험에 더 적합했다.

20세기 초에, 어떤 조건하에서 빠르게 움직이는 대전 입자가 그 경로를 따라 과포화 수증기의 응축을 일으킨다는 것이 발견되었다.1911년, 찰스 윌슨은 빠르게 움직이는 [43]전자와 같은 하전 입자의 흔적을 촬영할 수 있도록 그의 구름 방을 고안하기 위해 이 원리를 사용했습니다.

원자론

다음 항목도 참조하십시오.핵의 양성자-전자 모델
Three concentric circles about a nucleus, with an electron moving from the second to the first circle and releasing a photon
원자 Bohr 모델. 숫자 n으로 양자화된 에너지를 가진 전자 상태를 보여줍니다.낮은 궤도로 낙하하는 전자는 궤도 간의 에너지 차이에 해당하는 광자를 방출한다.

1914년까지, 물리학자 어니스트 러더포드, 헨리 모즐리, 제임스 프랭크, 구스타프 헤르츠의 실험은 낮은 질량의 [44]전자들로 둘러싸인 양전하의 밀도가 높은 핵으로 원자의 구조를 확립했다.1913년, 덴마크의 물리학자 닐스 보어는 전자가 양자화된 에너지 상태에 있으며, 그 에너지는 원자핵 주위의 전자 궤도의 각 운동량에 의해 결정된다고 가정했다.전자는 특정 주파수의 광자를 방출하거나 흡수함으로써 이러한 상태 또는 궤도 사이를 이동할 수 있습니다.이러한 양자화된 궤도를 통해 그는 수소 [45]원자의 스펙트럼 라인을 정확하게 설명했다.그러나 보어의 모델은 스펙트럼 라인의 상대적 강도를 설명하지 못했고 더 복잡한 [44]원자의 스펙트럼을 설명하는데 실패했다.

원자 사이의 화학적 결합은 길버트 뉴턴 루이스에 의해 설명되었는데, 그는 1916년에 두 원자 사이의 공유 결합이 그들 [46]사이에 공유되는 전자 쌍에 의해 유지된다고 제안했다.이후 1927년, 월터 하이틀러와 프리츠 런던은 양자역학 [47]측면에서 전자-쌍의 형성과 화학적 결합에 대한 완전한 설명을 했다.1919년, 미국의 화학자 어빙 랭뮤어는 루이스의 원자 정적 모델을 정교하게 연구하여 모든 전자가 연속적으로 "모든 [48]두께가 동일한 동심원(근접한) 구형 껍질"에 분포되어 있다고 제안했다.차례로, 그는 껍질을 여러 개의 세포로 나누었는데, 각 세포는 한 쌍의 전자를 포함하고 있었다.이 모델을 통해 Langmuir는 주기율표에 [47]있는 모든 원소의 화학적 성질을 정성적으로 설명할 수 있었고, [49]주기율표에 따라 대부분 반복된다고 알려져 있었다.

1924년, 오스트리아의 물리학자 볼프강 파울리는 각 상태가 단 하나의 전자에 의해 점유되는 한, 모든 양자 에너지 상태를 정의하는 네 가지 매개변수로 원자의 껍질 같은 구조가 설명될 수 있다는 것을 관찰했다.동일한 양자 에너지 상태를 차지하는 하나 이상의 전자에 대한 이러한 금지는 파울리 배타 [50]원리로 알려졌습니다.네 번째 매개변수를 설명하기 위한 물리적 메커니즘은 두 가지 가능한 값을 가지고 있었으며, 네덜란드의 물리학자 사무엘 구드미트와 조지 울렌벡이 제공했다.1925년, 그들은 궤도의 각 운동량 외에 전자가 고유의 각 운동량과 자기 쌍극자 [44][51]모멘트를 가지고 있다고 제안했다.이것은 지구가 태양 주위를 돌면서 자전하는 것과 유사합니다.고유 각운동량은 스핀으로 알려졌으며, 고해상도 분광기로 관측된 스펙트럼 라인의 이전에는 불가사의한 분할을 설명했습니다. 이 현상을 미세 구조 [52]분할이라고 합니다.

양자역학

다음 항목도 참조하십시오.양자역학의 역사

프랑스의 물리학자 루이 드 브로이는 1924년 논문 '양자 이론 연구'에서 모든 물질은 [53]빛의 방식으로 드 브로글리 파장으로 표현될 수 있다고 가설을 세웠다.즉, 적절한 조건하에서 전자와 다른 물질은 입자 또는 파동의 특성을 나타낼 것이다.입자의 입자 특성은 그것이 주어진 [54]순간에 그것의 궤적을 따라 공간에 국소적인 위치를 가지고 있는 것으로 보여질 때 증명된다.예를 들어, 빔이 평행 슬릿을 통과하여 간섭 패턴을 생성할 때 빛의 파동과 같은 특성이 표시됩니다.1927년 조지 패짓 톰슨은 니켈 [55]결정에서 전자의 반사에 의해 전자 빔이 얇은 금속 박을 통과할 때 간섭 효과가 발생한다는 것을 발견했습니다.

A spherically symmetric blue cloud that decreases in intensity from the center outward
양자역학에서 원자에 있는 전자의 거동은 궤도가 아닌 확률 분포인 궤도에 의해 설명된다.그림에서 그림자는 주어진 양자수에 대응하는 에너지를 가진 전자를 그 지점에서 찾을 상대적 확률을 나타낸다.

드 브로글리의 전자에 대한 파동 성질에 대한 예측은 에르빈 슈뢰딩거가 원자핵의 영향 아래 움직이는 전자에 대한 파동 방정식을 가정하도록 이끌었다.1926년 슈뢰딩거 방정식은 전자파가 어떻게 [56]전파되는지를 성공적으로 설명했습니다.시간이 지남에 따라 전자의 위치를 결정하는 해법을 도출하는 대신, 이 파동 방정식은 전자파 방정식이 시간에 따라 변하지 않는 공간, 특히 전자가 결합되어 있는 위치 근처에서 전자를 찾을 확률을 예측하는 데에도 사용될 수 있습니다.이 접근법은 양자역학의 두 번째 공식으로 이어졌고, 하이젠베르크의 것과 같은 슈뢰딩거 방정식의 해법은 1913년 보어에 의해 최초로 도출된 것과 동등한 수소 원자의 전자 에너지 상태의 유도를 제공했고, 수소를 재생산하는 것으로 알려져 있었다.rogen [57]스펙트럼일단 스핀과 여러 전자 사이의 상호작용이 설명될 수 있게 되자, 양자역학은 [58]수소보다 큰 원자 번호를 가진 원자에서 전자의 구성을 예측하는 것을 가능하게 했다.

1928년, 폴 디락은 볼프강 파울리의 작품을 바탕으로 전자 모형 – 상대성 이론과 일치하는 디락 방정식을 전자장의 [59]양자 역학의 해밀턴 공식에 적용함으로써 만들었다.그의 상대론적 방정식 내의 몇 가지 문제들을 해결하기 위해, 디락은 1930년에 음의 에너지를 가진 입자들로 이루어진 무한한 바다인 진공 모형을 개발했고, 나중에 디락 바다라고 불렸습니다.이것은 그가 [60]전자의 반물질인 양전자의 존재를 예측하도록 이끌었다.이 입자는 1932년 칼 앤더슨이 발견했는데, 그는 표준 전자를 음전자라고 부르고 양전하와 음전하를 띤 변종 모두를 설명하기 위한 총칭으로 전자를 사용할 것을 제안했다.

1947년, 대학원생 로버트 레더포드와 함께 일하던 윌리스 램은 같은 에너지를 가져야 할 수소 원자의 특정한 양자 상태가 서로 상대적으로 변화한다는 것을 발견했다. 그 차이는 램 시프트라고 불리게 되었다.비슷한 시기에 헨리 M.과 함께 일하는 폴리카프 쿠쉬. 폴리가 발견한 전자의 자기 모멘트는 디락 이론이 예측한 것보다 약간 크다.이 작은 차이는 나중에 전자의 비정상적인 자기 쌍극자 모멘트라고 불렸습니다.이 차이는 1940년대 [61]후반 신이티로 토모나가, 줄리안 슈윙거, 리처드 파인만이 개발한 양자전기역학 이론에 의해 나중에 설명되었다.

입자 가속기

20세기 전반의 입자 가속기의 개발과 함께, 물리학자들은 아원자 [62]입자의 성질을 더 깊이 탐구하기 시작했다.전자 유도를 사용하여 전자를 가속하려는 첫 번째 시도는 1942년 도널드 커스트에 의해 이루어졌다.그의 초기 베타트론은 2.3MeV의 에너지에 도달했고 이후 베타트론은 300MeV에 도달했다.1947년, 제너럴 일렉트릭사의 70MeV 전자 싱크로트론으로 싱크로트론 방사선이 발견되었다.이 방사선은 전자가 [63]빛의 속도에 근접하면서 자기장을 통과하는 가속에 의해 발생하였다.

1.5GeV의 빔 에너지를 가진 최초의 고에너지 입자 충돌기는 [64]1968년에 운영을 시작한 ADONE이었다.이 장치는 전자와 양전자를 반대 방향으로 가속시켜,[65] 정적인 표적을 전자로 타격하는 것에 비해 충돌 에너지를 효과적으로 두 배로 증가시켰다.1989년부터 2000년까지 가동된 CERN의 대형 전자-양전자 충돌기(LEP)는 209 GeV의 충돌 에너지를 달성했으며 입자 물리 [66][67]표준 모델에 중요한 측정을 수행했습니다.

개별 전자의 제한

이제 개별 전자는 -269°C(4K)~약 -258°C(15K)[68]의 극저온에서 작동하는 초소형(L = 20nm, W = 20nm) CMOS 트랜지스터에 쉽게 갇힐 수 있습니다.전자파 함수는 반도체 격자에 퍼져 원자가 대역 전자와 거의 상호작용하지 않기 때문에 질량을 유효 질량 텐서로 대체함으로써 단일 입자 형식주의로 처리될 수 있다.

특성.

분류

A table with four rows and four columns, with each cell containing a particle identifier
기본 입자의 표준 모델입니다.왼쪽에 전자(기호 e)가 있습니다.

소립자물리학의 표준모형에서 전자는 기본입자 또는 소립자로 여겨지는 렙톤이라고 불리는 아원자 입자의 그룹에 속합니다.전자는 하전된 렙톤(또는 모든 유형의 하전된 입자) 중 가장 낮은 질량을 가지며 기본 입자의 [69]1세대에 속합니다.2세대와 3세대는 전하 렙톤인 뮤온과 타우를 포함하고 있는데, 뮤온과 타우는 담당 전자, 스핀, 상호작용과 동일하지만 더 무겁다.렙톤은 강한 상호작용이 없다는 점에서 물질의 다른 기본 성분인 쿼크와 다릅니다.렙톤 그룹의 모든 구성원은 페르미온입니다. 왜냐하면 그들은 모두 반홀수 정수 스핀을 가지고 있고 전자는 1/2 [70]스핀을 가지고 있기 때문입니다.

기본 속성

전자의 불변 질량은 약 9.109×10kg−31,[71] 즉 5.489×10−4 원자질량 단위이다.질량-에너지 등가성으로 인해 이는 0.511 MeV의 정지 에너지에 해당한다.양성자의 질량과 전자의 질량의 비율은 약 [11][72]1836이다.천문학적 측정 결과 양성자 대 전자 질량비는 표준 모형에서 예측한 것과 같은 값을 적어도 우주의 [73]절반 동안 유지한 것으로 나타났습니다.

전자는 -1.602176634×10쿨롬의−19 [71]전하를 가지며, 이는 아원자 입자의 표준 전하 단위로 사용되며, 소전하라고도 불린다.실험 정확도의 한계 내에서, 전자 전하는 양성자의 전하와 동일하지만, 반대 [74]부호를 가지고 있습니다.소전하에는 기호 e가 사용되기 때문에 일반적으로 e로−
기호화되는데, 여기서 마이너스 부호는 음전하를 나타낸다.양전자는 전자와 성질이 같지만 음전하가 아닌 양전하를 [70][71]띠기 때문에 e로+
상징된다.

전자의 고유 각운동량 또는 스핀은 1/[71]2입니다.이 성질은 보통 전자를 스핀 1/2 [70]입자로 지칭함으로써 명시된다.이러한 입자의 경우 스핀 크기는 [75][e]δ/2인 반면, 임의의 축에 대한 스핀 투영 측정 결과는 ± δ/2일 수 있습니다.스핀 외에 전자는 스핀 [71]축을 따라 고유의 자기 모멘트를 가진다.이는 [71]테슬라당 9.27400915(23)×10줄과−24 동일한 물리적 상수인 1개의 Bohr [76][f]마그네톤과 거의 같습니다.전자의 운동량에 대한 스핀의 방향은 헬리시티로 [77]알려진 소립자의 특성을 정의합니다.

전자에는 알려진 [1][78]하부구조가 없습니다.그럼에도 불구하고, 응축 물질 물리학에서 스핀-전하 분리는 일부 물질에서 발생할 수 있다.이러한 경우, 전자는 세 개의 독립된 입자, 즉 스피논, 오비탈론, 홀론(또는 chargon)으로 '분할'된다.전자는 이론적으로 항상 세 개의 결합 상태로 간주될 수 있으며, 스핀자는 전자의 스핀을, 오비탈은 전하를, 그리고 차곤은 전하를 전달하지만, 특정한 조건에서는 독립적인 준입자로 [79][80][81]행동할 수 있습니다.

전자의 반지름 문제는 현대 이론 물리학의 도전적인 문제이다.전자의 유한 반지름에 대한 가설을 인정하는 것은 상대성 이론의 전제 조건과 양립할 수 없다.반면 점 모양의 전자(반경 0)는 [82]무한대로 기울어지는 전자의 자기 에너지 때문에 심각한 수학적인 어려움을 일으킨다.페닝 트랩에서 단일 전자를 관찰한 결과 입자의 반지름 상한은 [83]10미터로 나타났습니다−22.에너지의−18 불확도 관계를 이용하여 전자반경 10m의[84] 상한을 도출할 수 있다.또한 "고전 전자 반지름"이라고 불리는 물리적 상수가 있으며, 양성자의 반지름보다−15 훨씬 큰 2.8179×10m의 값을 가진다.하지만, 이 용어는 양자 역학의 효과를 무시하는 단순한 계산에서 유래했습니다; 사실, 소위 고전 전자 반지름은 [85][86][g]전자의 진정한 기본 구조와 거의 관련이 없습니다.

소립자는 자연히 더 작은 입자로 분해된다.예를 들어 평균 수명이 2.2×10초인−6 뮤온이 전자, 뮤온 중성미자 및 전자 반중성미자로 분해됩니다.반면에, 전자는 이론적인 근거에서 안정적인 것으로 생각됩니다: 전자는 0이 아닌 전하를 가진 가장 작은 입자이기 때문에, 그것의 붕괴는 전하 [87]보존을 위반할 것입니다.전자의 평균 수명에 대한 실험 하한은 6.6×10년으로28, 90% 신뢰 [8][88][89]수준입니다.

양자 속성

모든 입자와 마찬가지로 전자는 파동 역할을 할 수 있다.이를 파동-입자 이중성이라고 하며 이중 슬릿 실험을 사용하여 증명할 수 있습니다.

전자의 파동 같은 성질은 고전 입자의 경우처럼 하나의 슬릿이 아니라 두 개의 평행 슬릿을 동시에 통과할 수 있게 해줍니다.양자역학에서, 하나의 입자의 파동형 특성은 수학적으로 복소수 함수, 일반적으로 그리스 문자 psi(θ)로 나타나는 파동 함수로 설명될 수 있다.이 함수의 절대값이 제곱되면 입자가 위치 근처에서 관찰될 확률(확률 밀도)[90]: 162–218 을 제공합니다.

A three dimensional projection of a two dimensional plot. There are symmetric hills along one axis and symmetric valleys along the other, roughly giving a saddle-shape
1차원 상자 내의 동일한 페르미온 두 개의 양자 상태에 대한 반대칭 파동 함수의 예.입자가 위치를 바꾸면 파동 함수가 부호를 반전시킵니다.

전자는 고유의 물리적 특성으로 서로 구별할 수 없기 때문에 동일한 입자입니다.양자역학에서, 이것은 상호작용하는 전자 쌍이 시스템의 상태에 대한 관측 가능한 변화 없이 위치를 바꿀 수 있어야 한다는 것을 의미합니다.전자를 포함한 페르미온의 파동 함수는 반대칭이며, 두 개의 전자가 교환될 때 부호가 바뀐다는 것을 의미합니다. 즉, 변수121 r과2 r이21 각각 첫 번째와 두 번째 전자에 대응합니다.절대값은 부호 교환에 의해 변경되지 않으므로 이는 동등한 확률에 해당합니다.대신 [90]: 162–218 광자와 같은 보손은 대칭파 함수를 가지고 있다.

반대칭성의 경우, 전자 상호작용을 위한 파동 방정식의 해는 각 쌍이 같은 위치 또는 상태를 차지할 확률을 0으로 만든다.이것은 파울리 배타 원리에 책임이 있으며, 이것은 어떤 두 전자도 같은 양자 상태를 차지하지 못하게 합니다.이 원리는 전자의 많은 성질을 설명한다.예를 들어, 그것은 결합 전자들로 이루어진 그룹이 같은 [90]: 162–218 궤도에서 서로 겹치는 것이 아니라 원자 내에서 서로 다른 궤도를 차지하게 합니다.

가상 입자

주요 기사:가상 입자

종종 잘못된 생각을 주는 경향이 있지만 어떤 측면을 설명하는 데 도움이 될 수 있는 간단한 그림에서, 모든 광자는 가상 전자와 그 반입자인 가상 양전자의 조합으로 시간을 보내며,[91] 그 후 곧 서로를 빠르게 전멸시킨다.이러한 입자를 생성하는 데 필요한 에너지 변동과 그 존재 시간의 조합은 하이젠베르크 불확도 관계인 δE · δt δ δ δ δ δ δ δ δ δ ≥ ħ the the by by by by by by by by by by by by by by by by by by by by by by by by by실제로 이러한 가상입자 생성에 필요한 에너지 δE는 진공에서 일정 기간 동안 "차용"될 수 있으므로 이들의 생성물은 플랑크 상수 δ6.6×10−16 eV·s 이하가 된다.따라서 가상전자의 경우 δt는 최대 1.3×[92]10초이다−21.

A sphere with a minus sign at lower left symbolizes the electron, while pairs of spheres with plus and minus signs show the virtual particles
전자(왼쪽 아래) 근처에 무작위로 나타나는 가상 전자-양전자 쌍의 개략도

전자-양전자 가상 쌍이 존재하는 동안, 전자를 둘러싼 주변 전기장의 쿨롱 힘은 생성된 양전자를 원래 전자에 끌어당기는 반면 생성된 전자는 반발을 경험하게 한다.이것은 소위 진공 분극이라고 불리는 것을 일으킨다.실제로 진공은 단일성 이상의 유전 유전율을 가진 매체처럼 행동한다.따라서 전자의 유효 전하가 실제 값보다 작으며,[93][94] 전하가 전자와의 거리가 증가함에 따라 감소합니다.이 편광은 1997년 일본의 TRISTAN 입자 [95]가속기를 사용하여 실험적으로 확인되었다.가상 입자는 전자 [96]질량에 대해 비슷한 차폐 효과를 일으킵니다.

또한 가상 입자와의 상호작용은 전자 고유의 자기 모멘트가 Bohr 마그네톤(이상한 자기 [76][97]모멘트)에서 작은(약 0.1%) 편차를 보이는 것을 설명합니다.이 예측된 차이와 실험적으로 결정된 값의 매우 정확한 일치는 양자 전기 [98]역학의 위대한 업적 중 하나로 간주됩니다.

고유 각운동량과 자기모멘트를 가진 점입자전자의 고전물리학에서 명백한 역설은 전자에 의해 생성된 전기장에서의 가상광자의 형성에 의해 설명될 수 있다.이 광자들은 경험적으로 전자가 불안정하게 움직이게 한다고 생각할 수 있으며, 이는 [99]세차운동과 함께 순원운동을 일으킨다.이 운동은 [10]전자의 스핀과 자기 모멘트를 생성한다.원자에서, 이러한 가상 광자의 생성은 스펙트럼 [93]라인에서 관측된 램 이동을 설명합니다.콤프턴 파장은 전자와 같은 소립자 근처에서 에너지의 불확실성으로 인해 전자 근처에 가상 입자가 생성된다는 것을 보여준다.이 파장은 가까운 거리에서 소립자 주변의 가상 입자의 "정적" 상태를 설명합니다.

상호 작용

전자는 양성자 등의 양전하를 가진 입자에 흡인력을, 음전하를 가진 입자에 반발력을 가하는 전계를 발생시킨다.비상대론적 근사에서의 이 힘의 세기는 쿨롱의 역제곱 [100]: 58–61 법칙에 의해 결정된다.전자가 움직이면 자기장을 [90]: 140 발생시킨다.Ampere-Maxwell 법칙은 관찰자에 대한 전자(전류)의 질량 운동과 자기장을 관련짓습니다.이 유도 특성은 전기 [101]모터를 구동하는 자기장을 공급합니다.임의의 이동 하전 입자의 전자기장은 Liénard로 표현된다.입자의 속도가 빛의 속도에 가까운 경우에도 유효(상대론적)[100]: 429–434 한 비셰르트 전위.

A graph with arcs showing the motion of charged particles
전하 q(왼쪽)의 입자가 뷰어를 향해 향하는 자기장 B를 통해 속도 v로 이동하고 있다.전자의 경우 q는 음수이므로 곡선을 그리며 꼭대기를 향합니다.

전자가 자기장을 통과할 때, 그것은 자기장과 전자 속도에 의해 정의된 평면에 수직으로 작용하는 로렌츠 힘에 노출된다.이 구심력은 전자가 자이로라디우스라고 불리는 반지름으로 필드를 통해 나선 궤적을 따라가게 합니다.이 커빙 운동으로부터의 가속은 전자가 싱크로트론 [102][h][90]: 160 방사선의 형태로 에너지를 방출하도록 유도한다.에너지 방출은 아브라함-로렌츠-디락 힘이라고 알려진 전자의 반동을 일으켜 전자를 느리게 하는 마찰을 일으킨다.이 힘은 전자장 자체의 [103]역반응에 의해 발생한다.

A curve shows the motion of the electron, a red dot shows the nucleus, and a wiggly line the emitted photon
여기서 Bremsstrahlung은 원자핵의 전계에 의해 편향된 전자 e에 의해 생성된다.에너지 변화2 E - E는1 방출된 광자의 주파수 f를 결정한다.

광자는 양자 전기역학에서 입자 사이의 전자기 상호작용을 매개한다.일정한 속도로 고립된 전자는 실제 광자를 방출하거나 흡수할 수 없습니다. 그렇게 하는 것은 에너지와 운동량의 보존을 위반할 수 있습니다.대신, 가상 광자는 두 개의 하전 입자 사이에서 운동량을 전달할 수 있습니다.예를 들어, 이러한 가상 광자의 교환은 쿨롱 [104]힘을 발생시킵니다.에너지 방출은 움직이는 전자가 양성자와 같은 하전 입자에 의해 편향될 때 발생할 수 있습니다.전자의 가속은 브렘스스트룽 [105]방사선을 방출하는 결과를 낳는다.

광자(빛)와 단독(자유) 전자 사이의 비탄성 충돌을 콤프턴 산란이라고 한다.이 충돌은 입자 간에 운동량과 에너지의 전달을 초래하며, 이는 콤프턴 [i]이동이라고 불리는 양만큼 광자의 파장을 수정한다.이 파장 이동의 최대 크기는 콤프턴 [106]파장으로 알려진 H/mc이다e.전자의 경우 2.43×10m의−12 [71]값을 갖는다.빛의 파장이 길면(예를 들어 가시광선의 파장은 0.4~0.7μm), 파장 이동은 무시할 수 있게 됩니다.이러한 빛과 자유 전자 간의 상호작용을 톰슨 산란 또는 선형 톰슨 [107]산란이라고 합니다.

전자와 양성자와 같은 두 하전 입자 사이의 전자기 상호작용의 상대적인 강도는 미세 구조 상수에 의해 주어진다.이 값은 두 에너지의 비율, 즉 하나의 콤프턴 파장 분리에서의 흡인(또는 반발)의 정전 에너지와 전하의 나머지 에너지의 비에 의해 형성되는 무차원 양.α 7 7.297353×10으로−3 나타내며, 이는 대략 1/[71]137과 같다.

전자와 양전자가 충돌할 때, 그들은 서로를 전멸시켜 두 개 이상의 감마선 광자를 발생시킨다.전자와 양전자의 운동량이 미미할 경우 양전자 원자는 소멸되기 전에 총 1.022 MeV의 [108][109]감마선 광자가 2, 3개 생성될 수 있다.반면에, 고에너지 광자는 쌍생성이라고 불리는 과정에 의해 전자와 양전자로 변할 수 있지만,[110][111] 핵과 같은 가까운 하전 입자의 존재에서만 가능하다.

전기 약 상호작용 이론에서, 전자의 파동 함수의 왼손 성분은 전자 중성미자와 약한 아이소스핀 더블렛을 형성한다.이것은 약한 상호작용 동안 전자 중성미자가 전자처럼 행동한다는 것을 의미합니다.이 더블렛의 한쪽 부재는 W를
방출 또는 흡수함으로써 대전전류 상호작용을 일으켜 다른 쪽 부재로 변환할 수 있다.W 보손도 전하를 운반하여 변환 중에 순변화를 상쇄하기 때문에 이 반응 중에 전하가 보존됩니다.대전된 전류 상호작용은 방사성 원자의 베타 붕괴 현상에 책임이 있습니다.전자중성미자와 전자중성미자는 모두 Z교환을0
통해 중성전류 상호작용을 할 수 있으며, 이는 중성미자-전자 탄성 [112]산란을 담당한다.

원자와 분자

주요 기사:아톰
A table of five rows and five columns, with each cell portraying a color-coded probability density
처음 몇 개의 수소 원자 궤도에 대한 확률 밀도. 단면에서 볼 수 있습니다.결합된 전자의 에너지 수준은 그것이 차지하는 궤도를 결정하며, 색은 주어진 위치에서 전자를 찾을 확률을 반영한다.

전자는 매력적인 쿨롱력에 의해 원자의 핵에 결합할 수 있다.하나 이상의 전자가 핵에 결합되어 있는 시스템을 원자라고 한다.만약 전자의 수가 핵의 전하와 다르다면, 그러한 원자는 이온이라고 불립니다.결합 전자의 파동 같은 행동은 원자 궤도라고 불리는 함수에 의해 설명된다.각 궤도는 에너지, 각운동량, 각운동량의 투영과 같은 양자수의 집합을 가지고 있으며, 이러한 궤도들의 이산적인 집합만이 핵 주위에 존재한다.파울리 배타 원리에 따르면 각 궤도는 최대 2개의 전자에 의해 점유될 수 있으며, 이는 스핀 양자수가 달라야 한다.

전자는 [113]: 159–160 전위차에 맞는 에너지를 가진 광자의 방출이나 흡수에 의해 서로 다른 궤도 사이를 이동할 수 있다.궤도 이동의 다른 방법으로는 전자와 같은 입자와의 충돌과 오거 [114]효과가 있습니다.원자를 탈출하기 위해서는 전자의 에너지가 원자와의 결합 에너지 이상으로 증가해야 한다.예를 들어 원자의 이온화 에너지를 초과하는 입사 광자가 [113]: 127–132 전자에 흡수되는 광전 효과와 함께 발생합니다.

전자의 궤도 각운동량은 양자화된다.전자는 대전되어 있기 때문에 각운동량에 비례하는 궤도 자기모멘트를 생성한다.원자의 순 자기 모멘트는 모든 전자와 핵의 궤도 및 스핀 자기 모멘트의 벡터 합계와 같다.핵의 자기 모멘트는 전자의 자기 모멘트에 비해 무시할 수 있다.같은 궤도를 차지하는 전자의 자기 모멘트는 서로를 [115]상쇄합니다.

원자 [116]사이의 화학적 결합은 양자역학의 법칙에 의해 기술된 바와 같이 전자기 상호작용의 결과로 발생합니다.가장 강한 결합은 원자 사이의 전자의 공유나 전달에 의해 형성되어 [13]분자의 형성을 가능하게 한다.분자 내에서 전자는 여러 개의 원자핵의 영향을 받아 움직이며 분자 궤도를 차지합니다; 고립된 [117]원자에서 원자 궤도를 차지할 수 있는 만큼.이러한 분자 구조에서 근본적인 요인은 전자쌍의 존재이다.이것들은 반대되는 스핀을 가진 전자들로, 파울리 배타 원리를 위반하지 않고 같은 분자 궤도를 차지할 수 있게 해줍니다.분자 궤도에 따라 전자 밀도의 공간 분포가 다릅니다.예를 들어, 결합된 쌍(즉, 실제로 원자를 결합하는 쌍)에서 전자는 핵 사이의 비교적 작은 부피에서 최대 확률로 찾을 수 있다.반면 비결합쌍에서는 전자가 [118]핵 주위에 대량으로 분포한다.

전도성

Four bolts of lightning strike the ground
번개 방전은 주로 [119]전자의 흐름으로 구성됩니다.번개에 필요한 전위는 삼각전기 [120][121]효과로 발생할 수 있다.

만약 물체가 핵의 양전하를 평형시키는 데 필요한 것보다 많거나 적은 전자를 가지고 있다면, 그 물체는 순전하를 가지고 있다.전자가 과잉일 때 그 물체는 음전하를 띤다고 한다.원자핵에 있는 양성자의 수보다 전자가 적을 때, 그 물체는 양전하를 띤다고 한다.전자의 수와 양성자의 수가 같을 때, 그들의 전하가 서로 상쇄되고 그 물체는 전기적으로 중립적이라고 한다.육안체는 트라이보전 [122]효과에 의해 마찰에 의해 전하를 발생시킬 수 있다.

진공 상태에서 움직이는 독립 전자를 자유 전자라고 합니다.금속의 전자는 또한 그들이 자유로운 것처럼 행동한다.실제로 금속과 다른 고체에서 흔히 전자라고 불리는 입자는 준전자, 즉 준전자이며, 준전자이며, 준전자 입자는 실제 전자와 전하, 스핀 및 자기 모멘트는 같지만 [123]질량은 다를 수 있습니다.진공과 금속에 있는 자유 전자가 움직일 때, 그들은 전류라고 불리는 순 전하 흐름을 만들어 자기장을 생성합니다.마찬가지로 변화하는 자기장에 의해 전류가 생성될 수 있습니다.이러한 상호작용은 맥스웰 [124]방정식으로 수학적으로 설명된다.

주어진 온도에서 각 재료는 전위가 인가될 때 전류의 값을 결정하는 전기 전도율을 가진다.양호한 도체의 예로는 구리 및 금과 같은 금속이 있지만, 유리와 테플론은 불량 도체입니다.유전체 재료에서 전자는 각각의 원자에 결합되어 있고, 물질은 절연체로 작용한다.대부분의 반도체는 전도와 [125]절연의 양극 사이에 있는 다양한 수준의 전도성을 가지고 있습니다.한편 금속은 부분적으로 충전된 전자밴드를 포함한 전자밴드 구조를 가진다.이러한 띠의 존재는 금속의 전자가 자유롭거나 비국재화된 전자처럼 행동할 수 있게 한다.이 전자들은 특정 원자와 관련이 없기 때문에, 전장이 가해질 때, 그들은 자유 전자와 같이 물질을 통해 기체처럼 자유롭게 움직입니다.[126]

전자와 원자의 충돌로 인해 도체 내 전자의 드리프트 속도는 초당 밀리미터 정도 됩니다.그러나 물질의 한 지점에서 전류의 변화가 물질의 다른 부분에서 전류의 변화를 일으키는 속도, 즉 전파 속도는 일반적으로 광속의 [127]약 75%이다.이는 전기 신호가 파동으로 전파되기 때문에 발생하며 속도는 [128]물질의 유전율에 따라 달라집니다.

금속은 열전도체를 비교적 잘 만드는데, 이는 주로 비국재화된 전자가 원자 간에 열에너지를 자유롭게 운반하기 때문입니다.그러나 전기 전도도와 달리 금속의 열 전도율은 온도와 거의 독립적입니다.이것은 비데만-프란츠 [126]법칙에 의해 수학적으로 표현되는데, 비데만-프란츠 법칙은 전기 전도율에 대한 열 전도율의 비율이 온도에 비례한다는 것입니다.금속 격자의 열 장애는 재료의 전기 저항률을 증가시켜 [129]전류에 대한 온도 의존성을 생성합니다.

임계 온도라고 불리는 지점 아래로 냉각되면, 물질은 초전도라고 알려진 과정에서 전류에 대한 모든 저항성을 잃는 상전이를 겪을 수 있습니다.BCS 이론에서, 쿠퍼 쌍이라고 불리는 전자 쌍은 포논이라고 불리는 격자 진동을 통해 근처의 물질과 결합되어, 일반적으로 전기 [130]저항을 생성하는 원자와의 충돌을 피한다.(cooper 쌍은 반지름이 약 100 nm이므로 서로 겹칠 수 있습니다).[131]그러나 고온의 초전도체가 작동하는 메커니즘은 여전히 불확실하다.

전도성 고체 내부의 전자는 그 자체가 준입자인데, 절대 0에 가까운 온도에서 단단하게 갇혀 있을 때 마치 스피논, 오비턴,[132][133] 홀론 세 개의 다른 준입자로 쪼개진 것처럼 행동합니다.전자는 회전과 자기 모멘트를 전달하고, 다음 것은 궤도 위치를 전달하며, 후자는 전하를 전달한다.

운동과 에너지

아인슈타인의 특수상대성이론에 따르면 전자의 속도가 빛의 속도에 가까워질수록 관찰자의 관점에서 상대론적 질량이 증가하여 관찰자의 기준 범위 내에서 가속하는 것이 점점 더 어려워진다.전자의 속도는 진공상태에서 빛의 속도에 근접할 수 있지만 절대 도달하지 못한다.그러나 상대론적 전자, 즉 c에 가까운 속도로 이동하는 전자가 물과 같은 유전 매체에 주입될 때 빛의 국소 속도가 c보다 현저히 낮으면 전자는 일시적으로 매체의 빛보다 빠르게 이동합니다.그들은 매체와 상호작용하면서 체렌코프 [134]방사라고 불리는 희미한 빛을 발생시킵니다.

The plot starts at zero and curves sharply upward toward the right
속도 함수로서의 로렌츠 인자.값 1에서 시작하여 v가 c에 가까워지면 무한대로 이동합니다.

특수상대성이론의 효과는 1 / - / (\ \로 정의된 로렌츠 인자로 알려진 양에 기초한다. 여기서 v는 입자의 속도이다.속도 v로 이동하는 전자의 운동 에너지e K는 다음과 같다.

여기서e m은 전자의 질량이다.예를 들어 스탠포드 선형 가속기는 전자를 약 51GeV까지 [135]가속할 수 있습니다.전자는 파동으로 작용하기 때문에 일정한 속도에서 특유의 드 브로이 파장을 갖는다.이것은 θe = h/p로 나타내며, 여기서 h는 플랑크 상수이고 p는 [53]운동량이다.위의 51 GeV 전자의 경우 파장은 약 2.4×10m로−17 원자핵 [136]크기보다 훨씬 작은 구조를 탐색할 수 있습니다.

형성

A photon approaches the nucleus from the left, with the resulting electron and positron moving off to the right
원자핵과 광자의 근접한 접근에 의해 발생하는 전자와 양전자의 쌍생성.번개 기호는 가상 광자의 교환을 나타내며, 따라서 전기력이 작용합니다.입자들 사이의 각도는 [137]매우 작습니다.

빅뱅 이론은 우주 [138]진화의 초기 단계를 설명하는 가장 널리 받아들여지는 과학 이론이다.빅뱅의 첫 번째 밀리초 동안, 온도는 100억 켈빈 이상이었고 광자는 백만 전자볼트 이상의 평균 에너지를 가지고 있었다.이 광자들은 전자와 양전자의 쌍을 형성하기 위해 서로 반응할 수 있을 정도로 에너지가 넘쳤다.마찬가지로 양전자 쌍은 서로를 전멸시키고 에너지 광자를 방출했다.


γ

 + γ+
−
 ↔ e + e

전자, 양전자, 광자 사이의 균형은 우주의 진화의 이 단계에서 유지되었다.그러나 15초가 지난 후, 우주의 온도는 전자-양전자 형성이 일어날 수 있는 한계치 아래로 떨어졌다.살아남은 대부분의 전자와 양전자가 서로를 전멸시켜 감마선을 방출해 우주를 [139]잠시 재가열시켰다.

여전히 불확실한 이유로, 소멸 과정 동안 반입자 위에 입자의 수가 초과되었다.따라서, 10억 전자-양전자 쌍당 약 1개의 전자가 살아남았다.이 초과는 반양자보다 양성자의 초과와 일치했고, 이는 바리온 비대칭으로 알려진 상태였고,[140][141] 결과적으로 우주에 0의 순 전하를 초래했다.살아남은 양성자와 중성자는 핵합성이라고 알려진 과정에서 서로 반응에 참여하기 시작했고, 수소와 헬륨의 동위원소를 형성하고 미량의 리튬을 사용했다.이 과정은 약 5분 [142]후에 최고조에 달했다.남은 중성자는 반감기가 약 천 초인 음의 베타 붕괴를 겪었고, 그 과정에서 양성자와 전자를 방출했다.


n
 → p
 + e−
 + δ
e

이후 약 300,000년에서 400,000년 동안, 과잉 전자는 원자핵과 [143]결합하기에는 너무 에너지로 남아있었다.그 후 중성 원자가 형성되고 팽창하는 우주가 [144]방사선에 투명해진 재결합으로 알려진 시기이다.

빅뱅이 일어난 지 약 1백만 년 후, 1세대 별들이 [144]형성되기 시작했다.별 안에서, 별의 핵합성은 원자핵의 융합으로부터 양전자를 생산한다.이 반물질 입자들은 전자와 함께 즉시 전멸하여 감마선을 방출한다.최종 결과는 전자 수의 꾸준한 감소와 그에 따른 중성자 수의 증가입니다.그러나 별의 진화 과정은 방사성 동위원소를 합성하는 결과를 가져올 수 있다.선택된 동위원소는 [145]핵에서 전자와 반중성미자를 방출하면서 음의 베타 붕괴를 겪을 수 있다.예를 들어 코발트-60(60Co) 동위원소는 분해되어 니켈-60(60
Ni)[146]이
된다.

A branching tree representing the particle production
지구 대기에 충돌하는 강력한 우주선에 의해 발생하는 확장 공기 샤워

수명이 다하면, 태양 질량이 약 20 이상인 별은 블랙홀을 [147]형성하기 위해 중력 붕괴를 겪을 수 있다.고전 물리학에 따르면, 이 거대한 항성들은 어떤 것도, 심지어 전자파 복사도 슈바르츠실트 반지름을 지나 탈출하는 것을 막을 수 있을 만큼 강한 중력을 발휘한다.그러나 양자역학적 효과는 잠재적으로 이 거리에서 호킹의 방사선을 방출할 수 있는 것으로 여겨진다.전자(및 양전자)는 이러한 항성 잔해의 사건 지평선에서 생성되는 것으로 생각됩니다.

이벤트 지평선 근처에 한 쌍의 가상 입자(전자 및 양전자)가 생성되면 랜덤 공간 위치 지정에 의해 이들 중 하나가 외부에 나타날 수 있습니다. 이 과정을 양자 터널링이라고 합니다.그러면 블랙홀의 중력 전위는 이 가상 입자를 실제 입자로 변형시키는 에너지를 공급할 수 있고,[148] 이것이 우주로 방출되도록 할 수 있습니다.그 대신, 쌍의 다른 구성원에게는 음의 에너지가 주어지며, 이는 블랙홀에 의한 질량 에너지의 순손실을 초래한다.호킹의 복사 속도는 질량의 감소에 따라 증가하며, 결국 블랙홀은 [149]폭발할 때까지 증발합니다.

우주선은 높은 에너지로 우주를 여행하는 입자들이다.3.0×1020 eV의 높은 에너지 이벤트가 [150]기록되었습니다.이 입자들이 지구 대기의 핵자와 충돌할 때,[151] 파이온을 포함한 입자 소나기가 생성된다.지구 표면에서 관측되는 우주 방사선의 절반 이상이 뮤온으로 이루어져 있다.뮤온이라고 불리는 입자는 파이온의 붕괴에 의해 대기 상층부에서 생성되는 렙톤이다.

μ−
 → μ
μ + μ
μ−

뮤온은 차례로 전자나 양전자를 [152]형성하기 위해 부패할 수 있다.


μ−
 → e−
 + µ
e + µ
μ

관찰

A swirling green glow in the night sky above snow-covered ground
오로라는 대부분 [153]대기로 밀려드는 에너지 전자에 의해 발생한다.

전자를 원격 관찰하려면 방사 에너지를 검출해야 합니다.예를 들어, 별의 코로나와 같은 고에너지 환경에서는 자유 전자가 브렘스스트룽 방사선에 의해 에너지를 방출하는 플라즈마를 형성합니다.전자 가스는 플라즈마 발진을 겪을 수 있는데, 플라즈마 발진은 전자 밀도의 동시 변화에 의해 발생하며, 이는 전파 망원경을 사용하여 [154]검출할 수 있는 에너지 방출을 발생시킨다.

광자의 주파수는 광자의 에너지에 비례한다.결합된 전자가 원자의 다른 에너지 수준 사이에서 전환될 때, 그것은 특징적인 주파수로 광자를 흡수하거나 방출합니다.예를 들어 원자가 넓은 스펙트럼을 가진 선원에 의해 조사될 때, 해당 주파수가 원자의 전자에 의해 흡수되는 곳에서 전달된 방사선의 스펙트럼에 뚜렷한 어두운 선이 나타난다.각 원소 또는 분자는 수소 스펙트럼 계열과 같은 스펙트럼 라인의 특징적인 집합을 나타낸다.검출되었을 때, 이러한 라인의 강도와 폭의 분광학적 측정을 통해 물질의 성분과 물리적 특성을 [155][156]결정할 수 있다.

실험실 조건에서 개별 전자의 상호작용은 에너지, 스핀 및 [157]전하와 같은 특정 특성을 측정할 수 있는 입자 검출기를 통해 관찰할 수 있습니다.Paul trap과 Penning trap의 개발로 작은 영역 내에 하전 입자를 장기간 저장할 수 있습니다.이를 통해 입자 특성을 정확하게 측정할 수 있습니다.예를 들어, 페닝 트랩을 사용하여 [158]10개월 동안 단일 전자를 포함했습니다.전자의 자기 모멘트는 11자리의 정밀도로 측정되었는데, 1980년에는 다른 어떤 물리 [159]상수보다 더 정확했습니다.

2008년 2월 스웨덴 룬드 대학의 한 팀이 전자의 에너지 분포에 대한 첫 번째 비디오 이미지를 포착했다.과학자들은 전자의 움직임을 처음으로 [160][161]관찰할 수 있게 해주는 아토초 펄스라고 불리는 매우 짧은 빛의 섬광을 사용했다.

고체 물질에서 전자의 분포는 각도 분해 광전자 분광법(ARPES)으로 시각화할 수 있다.이 기술은 원래 구조를 추론하는 데 사용되는 주기적 구조의 수학적 표현인 상호 공간을 측정하기 위해 광전 효과를 사용합니다.ARPES를 사용하여 [162]물질 내 전자의 방향, 속도 및 산란을 결정할 수 있습니다.

플라즈마 응용 프로그램

입자 빔

A violet beam from above produces a blue glow about a Space shuttle model
NASA 풍동 테스트 중에, 우주왕복선의 모델은 재진입 [163]시 이온화 가스의 효과를 시뮬레이션하면서 전자 빔에 의해 표적이 된다.

전자빔은 [164]용접에 사용된다.0.1 – 1.3 mm의 좁은 초점 직경을 통해 최대 107 W/cm의−2 에너지 밀도를 허용하며 일반적으로 충전재가 필요하지 않습니다.이 용접 기법은 전자가 목표치에 도달하기 전에 가스와 상호작용하지 않도록 진공 상태에서 수행해야 하며, 그렇지 않으면 [165][166]용접에 적합하지 않다고 간주되는 전도성 재료를 접합하는 데 사용할 수 있습니다.

전자빔 리소그래피(EBL)는 마이크로미터보다 [167]작은 분해능으로 반도체를 식각하는 방법입니다.이 기술은 높은 비용, 느린 성능, 진공 상태에서 빔을 작동해야 하는 필요성 및 전자가 고체에서 산란되는 경향으로 인해 제한됩니다.마지막 문제에서는 분해능이 약 10nm로 제한됩니다.이러한 이유로 EBL은 주로 소수의 전용 [168]집적회로를 생산하기 위해 사용됩니다.

전자빔 가공은 물질의 물리적 특성을 변화시키거나 의약품 및 식품을 [169]살균하기 위해 물질을 조사하기 위해 사용된다.집중 조사 시 온도가 크게 상승하지 않는 전자빔 또는 준멜트 안경: 예를 들어 집중 전자 복사는 많은 양의 점도의 감소와 활성화 [170]에너지의 단계적 감소를 일으킨다.

선형 입자 가속기는 방사선 치료에서 표면 종양을 치료하기 위한 전자빔을 생성한다.전자요법은 전자빔이 흡수되기 전에 제한된 깊이(일반적으로 5-20 MeV 범위의 전자 에너지의 경우 최대 5cm)까지만 침투하기 때문에 이러한 피부 손상을 기저세포암으로 치료할 수 있다.전자빔은 X선에 [171][172]의해 조사된 영역의 처리를 보완하기 위해 사용될 수 있다.

입자 가속기는 전자와 그 반입자를 높은 에너지로 밀어내기 위해 전기장을 사용한다.이 입자들은 자기장을 통과할 때 싱크로트론 방사선을 방출한다.스핀에 대한 이 방사선의 강도의 의존성은 전자빔(소콜로프-테르노프 [j]효과로 알려진 과정)을 분극시킨다.편광 전자 빔은 다양한 실험에 유용할 수 있습니다.싱크로트론 복사는 또한 전자빔을 냉각시켜 입자의 운동량 확산을 감소시킬 수 있다.전자와 양전자 빔은 입자가 필요한 에너지로 가속할 때 충돌한다; 입자 검출기는 결과 에너지 방출을 관찰하고, 입자 물리학은 이를 [173]연구한다.

이미징

저에너지 전자회절(LEED)은 결정성 물질에 시준된 전자빔을 충돌시킨 후 그 결과 발생하는 회절 패턴을 관찰하여 물질의 구조를 결정하는 방법입니다.전자의 필요 에너지는 일반적으로 20 ~200 [174]eV 범위입니다.반사 고에너지 전자회절(RHEED) 기술은 결정성 물질의 표면을 특징짓기 위해 다양한 낮은 각도로 발사되는 전자 빔의 반사를 사용합니다.빔 에너지는 일반적으로 8-20 keV 범위이며 입사 각도는 1-4°[175][176]입니다.

전자 현미경은 시료에 초점을 맞춘 전자 빔을 향하게 한다.일부 전자는 빔이 물질과 상호작용함에 따라 이동 방향, 각도, 상대 위상 및 에너지와 같은 특성을 변화시킵니다.현미경은 이러한 변화를 전자빔에 기록하여 [177]원자적으로 분해된 물질의 이미지를 생성할 수 있습니다.청색광에서 기존의 광학현미경은 약 200nm의 [178]회절제한 분해능을 가진다.이에 비해 전자현미경은 전자의 드 브로글리 파장에 의해 제한된다.예를 들어, 이 파장은 100,000V [179]전위에 걸쳐 가속되는 전자의 경우 0.0037nm와 같습니다.투과 전자 수차 보정 현미경은 0.05 nm 미만의 분해능을 가질 수 있으며, 이는 개별 [180]원자를 분해하기에 충분합니다.이 기능은 전자현미경을 고해상도 영상촬영에 유용한 실험실 기기로 만듭니다.그러나 전자현미경은 유지비가 많이 드는 고가의 기구이다.

전자 현미경에는 투과와 주사라는 두 가지 주요 유형이 있습니다.투과 전자 현미경은 오버헤드 프로젝터와 같은 기능을 하며, 전자 빔이 재료의 슬라이스를 통과한 후 사진 슬라이드 또는 전하 결합 장치에 렌즈에 의해 투영됩니다.주사 전자 현미경은 이미지를 생성하기 위해 연구된 샘플 전체에 걸쳐 TV 세트와 같이 미세하게 초점을 맞춘 전자 빔을 래스터리합니다.두 현미경 유형 모두 배율이 100배에서 100만배 이상입니다.스캐닝 터널링 현미경은 날카로운 금속 끝의 전자를 연구 대상 물질로 양자 터널링을 사용하여 표면의 [181][182][183]원자적으로 분해된 이미지를 생성할 수 있습니다.

기타 응용 프로그램

자유전자레이저(FEL)는 상대론적 전자빔이 쌍극자 자석의 어레이를 포함한 한 쌍의 파동기를 통과하고 그 전계가 교대로 향하는 것을 특징으로 한다.전자는 같은 전자와 일관되게 상호작용하는 싱크로트론 방사선을 방출하여 공명 주파수에서 방사장을 강하게 증폭시킵니다.FEL은 마이크로파에서 소프트 X선에 이르기까지 광범위한 주파수로 일관성이 높은 고휘도 전자파를 방출할 수 있습니다.이러한 장치는 제조, 통신 및 연조직 [184]수술과 같은 의료 용도로 사용됩니다.

전자는 실험실 기기, 컴퓨터 모니터 및 텔레비전 [185]수상기의 디스플레이 장치로 널리 사용되어 온 음극선 튜브에서 중요합니다.광전자 증배관에서 광전극에 부딪히는 모든 광자는 검출 가능한 전류 [186]펄스를 생성하는 전자의 눈사태를 일으킨다.진공관은 전자의 흐름을 이용해 전기신호를 조작해 전자기술 발전에 중요한 역할을 했다.그러나 트랜지스터와 [187]같은 솔리드 스테이트 소자로 대체되었습니다.

「 」를 참조해 주세요.

메모들

  1. ^ 양전자는 때때로 '반전자'라고 불린다.
  2. ^ 분수 버전의 분모는 (상대 표준 불확도 4.2×10−13 u와 함께) 십진수 값의 역수이다.
  3. ^ 전자의 전하는 기본 전하의 음으로, 양성자에 양의 값을 가집니다.
  4. ^ 오래된 소스에는 질량 대 충전 비율의 현대적인 규칙이 아닌 충전 대 질량 목록이 있습니다.
  5. ^ 이 매그니튜드는 스핀 양자수로부터 다음과 같이 구해진다.
    양자수 s = 1/2인 경우.
    'Gupta(2001)'를 참조해 주세요.
  6. ^ 보어 마그네톤:
  7. ^ 고전적인 전자 반경은 다음과 같이 구한다.전자의 전하가 구형 체적 전체에 균일하게 퍼져 있다고 가정합니다.구의 한 부분이 다른 부분을 밀어내기 때문에, 구에는 정전 위치 에너지가 포함되어 있습니다.이 에너지는 특수 상대성 이론(E = mc2)으로 정의되는 전자의 정지 에너지와 같다고 가정한다.
    정전학 이론에서 반지름 r과 전하 e를 가진 구의 위치 에너지는 다음과 같이 구한다.
    여기서 θ는0 진공 유전율이다.정지 질량이0 m인 전자의 경우, 나머지 에너지는 다음과 같습니다.
    여기서 c는 진공상태에서 빛의 속도이다.이들을 동일하게 설정하고 r에 대해 해결하면 고전적인 전자 반경이 제공됩니다.
    「Haken, Wolf, and Brewer」(2005)를 참조해 주세요.
  8. ^ 비상대론적 전자로부터의 방사선을 사이클로트론 방사라고 부르기도 한다.
  9. ^ 파장의 변화 δθ는 다음과 같이 반동의 각도 θ에 따라 달라진다.
    여기서 c는 진공상태에서 빛의 속도이고e m은 전자질량이다.Zombeck(2007)[72]: 393, 396 를 참조해 주세요.
  10. ^ 전자빔의 편광은 모든 전자의 스핀이 한 방향을 가리킨다는 것을 의미한다.즉, 운동량 벡터에 대한 모든 전자의 스핀 투영은 같은 부호를 가진다.

레퍼런스

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