Burbuja de electrones

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Una burbuja de electrones es el espacio vacío creado alrededor de un electrón libre en un gas o líquido criogénico, como el neón o el helio . Suelen ser muy pequeños, de unos 2 nm de diámetro a presión atmosférica.

Burbujas de electrones en helio

A temperatura ambiente, los electrones de los gases nobles se mueven libremente, limitados solo por las colisiones con los átomos que interactúan débilmente. Su movilidad , que depende de la densidad y la temperatura del gas, está bien descrita por la teoría cinética clásica . A medida que se baja la temperatura, la movilidad de los electrones disminuye, ya que los átomos de helio se ralentizan a temperaturas más bajas y no interactúan con el electrón con tanta frecuencia [1] .

Por debajo de una temperatura crítica, la movilidad de los electrones cae rápidamente a un valor muy por debajo de lo que se esperaba clásicamente. Esta discrepancia condujo al desarrollo de la teoría de la burbuja de electrones [2] . A bajas temperaturas, los electrones inyectados en helio líquido no se mueven libremente como cabría esperar, sino que forman pequeñas burbujas de vacío a su alrededor.

Repulsión de electrones de la superficie del helio.

Los electrones son atraídos por el helio líquido debido a la diferencia en las constantes dieléctricas entre la fase gaseosa y líquida del helio. El electrón negativo polariza el helio en la superficie, lo que genera una carga de imagen que lo une a la superficie . El electrón tiene prohibido entrar en el líquido por la misma razón por la que los átomos de hidrógeno son estables: la mecánica cuántica . La carga del electrón y la imagen forman un estado ligado , tal como lo hacen un electrón y un protón en un átomo de hidrógeno, con una separación promedio mínima. En este caso, la energía mínima es de aproximadamente 1 eV.(una cantidad moderada de energía a escala atómica) [3] .

Cuando un electrón es forzado a entrar en helio líquido en lugar de flotar en su superficie, forma una burbuja en lugar de entrar en el líquido. El tamaño de esta burbuja está determinado por tres factores principales (ignorando pequeñas correcciones): el término de confinamiento, el término de tensión superficial y el término de presión-volumen. El término de confinamiento es puramente mecánico cuántico, ya que siempre que un electrón está estrechamente confinado, su energía cinética aumenta. El término de tensión superficial representa la energía superficial del helio líquido; esto es exactamente como el agua y todos los demás líquidos. El término presión-volumen es la cantidad de energía necesaria para expulsar el helio de la burbuja [4] .

${\displaystyle E\approx {\frac {h^{2}}{8mR^{2}}}+4\pi R^{2}\alpha +{\frac {4}{3}}\pi R^{3}P}$

Aquí E es la energía de la burbuja, h es la constante de Planck , m es la masa del electrón , R es el radio de la burbuja, α es la energía superficial y P es la presión ambiental.

La burbuja de electrones 2S

Se ha hecho una predicción teórica basada en el análisis de la ecuación anterior [5] , que la burbuja de electrones 2S exhibe una inestabilidad morfológica sorprendente bajo una amplia gama de presiones ambientales. Si bien su función de onda es esférica, la forma estable de la burbuja no es esférica.

Notas al pie

• 1. G. Ramanan y Gordon R. Freeman (1990). "Movilidades de electrones en gases de nitrógeno y helio de baja densidad". Revista de Física Química . 93 (5): 3120. Bibcode : 1990JChPh..93.3120R . doi : 10.1063 / 1.459675 .
• 2. CG Kuper (1961). "Teoría de los iones negativos en helio líquido". Revisión física . 122 (4): 1007–1011. Código Bibliográfico : 1961PhRv..122.1007K . doi : 10.1103 / PhysRev.122.1007 .
• 3. WT Sommer (1964). "Helio líquido como barrera a los electrones". Cartas de revisión física . 12 (11): 271-273. Código Bibliográfico : 1964PhRvL..12..271S . doi : 10.1103 / PhysRevLett.12.271 .
• 4. MA Woolf y GW Rayfield (1965). "Energía de iones negativos en helio líquido por emisión fotoeléctrica". Cartas de revisión física . 15 (6): 235. Código Bibliográfico : 1965PhRvL..15..235W . doi : 10.1103 / PhysRevLett.15.235 .
• 5. P. Grinfeld y H. Kojima (2003). "Inestabilidad de las burbujas de electrones 2S". Cartas de revisión física . 91 (10): 105301. Código bibliográfico : 2003PhRvL..91j5301G . doi : 10.1103 / PhysRevLett.91.105301 . PMID 14525485 . 

enlaces externos

• "Las burbujas cuánticas son la clave" (Comunicado de prensa). Nuevo científico . 25 de noviembre de 2005.