Electrón

Subatomic particle with negative electric charge (−1)

Para otros usos, consulte Electron (desambiguación) .

Electrón

Orbitales atómicos de hidrógeno a diferentes niveles de energía. Las áreas más opacas son donde es más probable encontrar un electrón en un momento dado.
Composición	Partícula elemental [1]
Estadísticas	Fermiónico
Generacion	Primero
Interacciones	Gravedad , electromagnética , débil
Símbolo	mi- , β-
Antipartícula	Positrón (también llamado antielectrón)
Teorizado	Richard Laming (1838-1851), [2] G. Johnstone Stoney (1874) y otros. [3] [4]
Descubierto	JJ Thomson (1897) [5]
Masa	9.109 383 7015 (28) × 10 −31  kg [6] 5.485 799 090 70 (16) × 10 −4  u [7] [1 822 .888 4845 (14) ] −1  u [a] 0,510 998 950 00 (15)  MeV / c 2 [6]
Vida media	estable (> 6,6 × 10 28  años [8] )
Carga eléctrica	−1  e [b] −1,602 176 634 × 10 −19  C [6] −4.803 204 51 (10) × 10 −10  esu
Momento magnético	-1,001 159 652 180 91 (26)  μ B [7]
Girar	1/2
Isospin débil	LH : -1/2, RH : 0
Hipercarga débil	LH : -1, RH : -2

El electrón es una partícula subatómica , símbolo
mi^-
o
β^-
, cuya carga eléctrica es una carga elemental negativa . ^{[9] Los} electrones pertenecen a la primera generación de la familia de partículas leptónicas , ^[10] y generalmente se piensa que son partículas elementales porque no tienen componentes o subestructura conocidos. ^[1] El electrón tiene una masa que es aproximadamente 1/1836 de la del protón . ^[11] Las propiedades mecánicas cuánticas del electrón incluyen un momento angular intrínseco ( espín ) de un valor medio entero, expresado en unidades deconstante de Planck reducida , ħ . Al ser fermiones , dos electrones no pueden ocupar el mismo estado cuántico , de acuerdo con el principio de exclusión de Pauli . ^[10] Como todas las partículas elementales, los electrones exhiben propiedades tanto de partículas como de ondas : pueden chocar con otras partículas y pueden difractarse como la luz. Las propiedades de onda de los electrones son más fáciles de observar con experimentos que las de otras partículas como neutrones y protones porque los electrones tienen una masa menor y, por lo tanto, una longitud de onda de De Broglie más larga para una energía dada.

Los electrones juegan un papel fundamental en numerosos fenómenos físicos , como la electricidad , el magnetismo , la química y la conductividad térmica , y también participan en interacciones gravitacionales , electromagnéticas y débiles . ^[12] Dado que un electrón tiene carga, tiene un campo eléctrico circundante , y si ese electrón se mueve en relación con un observador, dicho observador lo observará para generar un campo magnético . Los campos electromagnéticos producidos a partir de otras fuentes afectarán el movimiento de un electrón de acuerdo con la ley de fuerza de Lorentz.. Los electrones irradian o absorben energía en forma de fotones cuando se aceleran. Los instrumentos de laboratorio son capaces de atrapar electrones individuales así como plasma de electrones mediante el uso de campos electromagnéticos. Los telescopios especiales pueden detectar plasma de electrones en el espacio exterior. Los electrones están involucrados en muchas aplicaciones como electrónica , soldadura , tubos de rayos catódicos , microscopios electrónicos , radioterapia , láseres , detectores de ionización gaseosa y aceleradores de partículas .

Las interacciones que involucran electrones con otras partículas subatómicas son de interés en campos como la química y la física nuclear . La interacción de la fuerza de Coulomb entre los protones positivos dentro de los núcleos atómicos y los electrones negativos fuera, permite la composición de los dos conocidos como átomos . La ionización o las diferencias en las proporciones de electrones negativos frente a núcleos positivos cambia la energía de enlace de un sistema atómico. El intercambio o el intercambio de electrones entre dos o más átomos es la principal causa de los enlaces químicos . ^[13] En 1838, el filósofo natural británico Richard LamingPrimero planteó la hipótesis del concepto de una cantidad indivisible de carga eléctrica para explicar las propiedades químicas de los átomos. ^[3] El físico irlandés George Johnstone Stoney llamó a esta carga "electrón" en 1891, y JJ Thomson y su equipo de físicos británicos lo identificaron como una partícula en 1897 durante el experimento del tubo de rayos catódicos . ^{[5] Los} electrones también pueden participar en reacciones nucleares , como la nucleosíntesis en las estrellas , donde se les conoce como partículas beta . Los electrones se pueden crear mediante la desintegración beta de isótopos radiactivos.y en colisiones de alta energía, por ejemplo, cuando los rayos cósmicos entran en la atmósfera. La antipartícula del electrón se llama positrón ; es idéntico al electrón excepto que lleva carga eléctrica del signo opuesto. Cuando un electrón choca con un positrón , ambas partículas pueden ser aniquiladas , produciendo fotones de rayos gamma .

Historia

Ver también: Historia del electromagnetismo

Descubrimiento del efecto de la fuerza eléctrica

Los antiguos griegos notaron que el ámbar atraía pequeños objetos cuando se frotaba con la piel. Junto con los rayos , este fenómeno es una de las primeras experiencias registradas de la humanidad con la electricidad . ^[14] En su tratado De Magnete de 1600 , el científico inglés William Gilbert acuñó el nuevo término latino electrica , para referirse a aquellas sustancias con propiedades similares a las del ámbar que atraen objetos pequeños después de ser frotadas. ^[15] Tanto la electricidad como la electricidad se derivan del ēlectro latino(también la raíz de la aleación del mismo nombre ), que proviene de la palabra griega para ámbar, ἤλεκτρον ( ēlektron ).

Descubrimiento de dos tipos de cargos

A principios de la década de 1700, el químico francés Charles François du Fay descubrió que si una hoja de oro cargada es rechazada por vidrio frotado con seda, entonces la misma hoja de oro cargada es atraída por el ámbar frotado con lana. A partir de este y otros resultados de tipos similares de experimentos, du Fay concluyó que la electricidad consta de dos fluidos eléctricos , fluido vítreo de vidrio frotado con seda y fluido resinoso de ámbar frotado con lana. Estos dos fluidos pueden neutralizarse entre sí cuando se combinan. ^{[15] [16]} Posteriormente, el científico estadounidense Ebenezer Kinnersley también llegó de forma independiente a la misma conclusión. ^{[17] : 118} Una década despuésBenjamin Franklin propuso que la electricidad no provenía de diferentes tipos de fluido eléctrico, sino de un solo fluido eléctrico que mostraba un exceso (+) o un déficit (-). Les dio la nomenclatura de carga moderna de positivo y negativo respectivamente. ^[18] Franklin pensó que el portador de carga era positivo, pero no identificó correctamente qué situación era un excedente del portador de carga y qué situación era un déficit. ^[19]

Entre 1838 y 1851, el filósofo natural británico Richard Laming desarrolló la idea de que un átomo está compuesto por un núcleo de materia rodeado de partículas subatómicas que tienen cargas eléctricas unitarias . ^[2] A partir de 1846, el físico alemán William Weber teorizó que la electricidad estaba compuesta de fluidos cargados positiva y negativamente, y su interacción se regía por la ley del cuadrado inverso . Después de estudiar el fenómeno de la electrólisis en 1874, el físico irlandés George Johnstone Stoney sugirió que existía una "única cantidad definida de electricidad", la carga de un ion monovalente. . Pudo estimar el valor de esta carga elemental e por medio de las leyes de electrólisis de Faraday . ^[20] Sin embargo, Stoney creía que estas cargas estaban unidas permanentemente a los átomos y no podían eliminarse. En 1881, el físico alemán Hermann von Helmholtz argumentó que tanto las cargas positivas como las negativas se dividían en partes elementales, cada una de las cuales "se comporta como átomos de electricidad". ^[3]

Stoney acuñó inicialmente el término electrolión en 1881. Diez años más tarde, cambió a electrón para describir estas cargas elementales, escribiendo en 1894: "... se hizo una estimación de la cantidad real de esta unidad fundamental de electricidad más notable, para la cual Desde entonces me he aventurado a sugerir el nombre de electrón ". Una propuesta de 1906 para cambiar al electrión fracasó porque Hendrik Lorentz prefirió mantener el electrón . ^{[21] [22]} La palabra de electrones es una combinación de las palabras Electr ic y i en . ^[23] El sufijo -sobre el que ahora se usa para designar otras partículas subatómicas, como un protón o un neutrón, se deriva a su vez del electrón. ^{[24] [25]}

Descubrimiento de electrones libres fuera de la materia

Un haz de electrones desviado en un círculo por un campo magnético ^[26]

Mientras estudiaba la conductividad eléctrica en gases enrarecidos en 1859, el físico alemán Julius Plücker observó que la luz fosforescente, que era causada por la radiación emitida por el cátodo, aparecía en la pared del tubo cerca del cátodo, y la región de la luz fosforescente podía moverse. mediante la aplicación de un campo magnético. ^[27] En 1869, el alumno de Plucker, Johann Wilhelm Hittorf, descubrió que un cuerpo sólido colocado entre el cátodo y la fosforescencia proyectaba una sombra sobre la región fosforescente del tubo. Hittorf infirió que hay rayos rectos emitidos desde el cátodo y que la fosforescencia fue causada por los rayos que golpean las paredes del tubo. En 1876, el físico alemán Eugen Goldsteinmostró que los rayos se emitían perpendicularmente a la superficie del cátodo, lo que distinguía entre los rayos que se emitían desde el cátodo y la luz incandescente. Goldstein denominó a los rayos rayos catódicos . ^{[28] [29] : 393} Décadas de investigación experimental y teórica con rayos catódicos fueron importantes en el eventual descubrimiento de los electrones por parte de JJ Thomson . ^[3]

Durante la década de 1870, el químico y físico inglés Sir William Crookes desarrolló el primer tubo de rayos catódicos que tenía un alto vacío en su interior. ^[30] Luego demostró en 1874 que los rayos catódicos pueden hacer girar una pequeña rueda de paletas cuando se colocan en su camino. Por lo tanto, concluyó que los rayos tenían impulso. Además, al aplicar un campo magnético, pudo desviar los rayos, demostrando así que el rayo se comportaba como si tuviera carga negativa. ^[28] En 1879, propuso que estas propiedades podrían explicarse considerando los rayos catódicos como compuestos de moléculas gaseosas cargadas negativamente en el cuarto estado de la materia en el que el camino libre medio de las partículas es tan largo que las colisiones pueden ignorarse.^{[29] : 394–395}

El físico británico nacido en Alemania Arthur Schuster amplió los experimentos de Crookes colocando placas de metal paralelas a los rayos catódicos y aplicando un potencial eléctrico entre las placas. ^[31] El campo desvió los rayos hacia la placa cargada positivamente, proporcionando más evidencia de que los rayos tenían carga negativa. Midiendo la cantidad de deflexión para un nivel dado de corriente , en 1890 Schuster pudo estimar la relación carga-masa ^[c] de los componentes del rayo. Sin embargo, esto produjo un valor que fue más de mil veces mayor de lo esperado, por lo que se dio poca credibilidad a sus cálculos en ese momento. ^[28]

En 1892, Hendrik Lorentz sugirió que la masa de estas partículas (electrones) podría ser una consecuencia de su carga eléctrica. ^[32]

JJ Thomson

Mientras estudiaba minerales de fluorescencia natural en 1896, el físico francés Henri Becquerel descubrió que emitían radiación sin ninguna exposición a una fuente de energía externa. Estos materiales radiactivos se convirtieron en tema de gran interés para los científicos, incluido el físico de Nueva Zelanda Ernest Rutherford, quien descubrió que emitían partículas. Él designó a estas partículas alfa y beta , sobre la base de su capacidad para penetrar la materia. ^[33] En 1900, Becquerel demostró que los rayos beta emitidos por el radio podían ser desviados por un campo eléctrico y que su relación masa-carga era la misma que la de los rayos catódicos.^[34] Esta evidencia fortaleció la opinión de que los electrones existían como componentes de los átomos. ^{[35] [36]}

En 1897, el físico británico JJ Thomson , con sus colegas John S. Townsend y HA Wilson , realizaron experimentos que indicaban que los rayos catódicos eran realmente partículas únicas, en lugar de ondas, átomos o moléculas como se creía anteriormente. ^[5] Thomson hizo buenas estimaciones tanto de la carga e como de la masa m , encontrando que las partículas de rayos catódicos, a las que llamó "corpúsculos", tenían quizás una milésima parte de la masa del ion menos masivo conocido: el hidrógeno. ^[5] Demostró que su relación carga-masa, e / m, era independiente del material del cátodo. Además, demostró que las partículas cargadas negativamente producidas por materiales radiactivos, por materiales calentados y por materiales iluminados eran universales. ^{[5] [37]} El nombre electrón fue adoptado para estas partículas por la comunidad científica, principalmente debido a la defensa de GF FitzGerald , J. Larmor y HA Lorentz . ^{[38] : 273}

Robert Millikan

La carga del electrón fue medida con más cuidado por los físicos estadounidenses Robert Millikan y Harvey Fletcher en su experimento de gota de aceite de 1909, cuyos resultados se publicaron en 1911. Este experimento utilizó un campo eléctrico para evitar que una gota de aceite cargada cayera como un resultado de la gravedad. Este dispositivo podría medir la carga eléctrica desde tan solo 1 a 150 iones con un margen de error de menos del 0,3%. El equipo de Thomson había realizado anteriormente experimentos comparables, ^[5] utilizando nubes de gotas de agua cargadas generadas por electrólisis, y en 1911 por Abram Ioffe , quien obtuvo de forma independiente el mismo resultado que Millikan utilizando micropartículas cargadas de metales, y luego publicó sus resultados en 1913. .^[39] Sin embargo, las gotas de aceite eran más estables que las gotas de agua debido a su velocidad de evaporación más lenta y, por lo tanto, más adecuadas para la experimentación precisa durante períodos de tiempo más largos. ^[40]

Hacia principios del siglo XX, se descubrió que, en determinadas condiciones, una partícula cargada de movimiento rápido provocaba una condensación de vapor de agua sobresaturado a lo largo de su trayectoria. En 1911, Charles Wilson usó este principio para diseñar su cámara de niebla para poder fotografiar las huellas de las partículas cargadas, como los electrones que se mueven rápidamente. ^[41]

Teoría atómica

Ver también: El modelo protón-electrón del núcleo

El modelo de Bohr del átomo , que muestra estados de electrones con energía cuantificada por el número n. Un electrón que cae a una órbita inferior emite un fotón igual a la diferencia de energía entre las órbitas.

En 1914, los experimentos de los físicos Ernest Rutherford , Henry Moseley , James Franck y Gustav Hertz habían establecido en gran medida la estructura de un átomo como un núcleo denso de carga positiva rodeado por electrones de menor masa. ^[42] En 1913, el físico danés Niels Bohr postuló que los electrones residían en estados de energía cuantificados, con energías determinadas por el momento angular de la órbita del electrón alrededor del núcleo. Los electrones podrían moverse entre esos estados u órbitas mediante la emisión o absorción de fotones de frecuencias específicas. Por medio de estas órbitas cuantificadas, explicó con precisión las líneas espectralesdel átomo de hidrógeno. ^[43] Sin embargo, el modelo de Bohr no tuvo en cuenta las intensidades relativas de las líneas espectrales y no tuvo éxito en explicar los espectros de átomos más complejos. ^[42]

Los enlaces químicos entre átomos fueron explicados por Gilbert Newton Lewis , quien en 1916 propuso que un enlace covalente entre dos átomos se mantiene mediante un par de electrones compartidos entre ellos. ^[44] Más tarde, en 1927, Walter Heitler y Fritz London dieron la explicación completa de la formación de pares de electrones y enlaces químicos en términos de mecánica cuántica . ^[45] En 1919, el químico estadounidense Irving Langmuir elaboró ​​el modelo estático del átomo de Lewis y sugirió que todos los electrones estaban distribuidos en sucesivas "capas concéntricas (casi) esféricas, todas de igual espesor". ^[46]A su vez, dividió las capas en varias celdas, cada una de las cuales contenía un par de electrones. Con este modelo, Langmuir pudo explicar cualitativamente las propiedades químicas de todos los elementos de la tabla periódica, ^[45] que se sabía que se repetían en gran medida de acuerdo con la ley periódica . ^[47]

En 1924, el físico austríaco Wolfgang Pauli observó que la estructura en forma de capa del átomo podía explicarse mediante un conjunto de cuatro parámetros que definían cada estado de energía cuántica, siempre que cada estado estuviera ocupado por no más de un solo electrón. Esta prohibición de que más de un electrón ocupe el mismo estado de energía cuántica se conoció como el principio de exclusión de Pauli . ^[48] El mecanismo físico para explicar el cuarto parámetro, que tenía dos valores posibles distintos, fue proporcionado por los físicos holandeses Samuel Goudsmit y George Uhlenbeck . En 1925, sugirieron que un electrón, además del momento angular de su órbita, posee un momento angular intrínseco ymomento dipolar magnético . ^{[42] [49]} Esto es análogo a la rotación de la Tierra sobre su eje mientras orbita el Sol. El momento angular intrínseco se conoció como espín , y explicó la división previamente misteriosa de las líneas espectrales observadas con un espectrógrafo de alta resolución ; este fenómeno se conoce como división fina de estructuras . ^[50]

Mecánica cuántica

Véase también: Historia de la mecánica cuántica.

En su disertación de 1924 Recherches sur la théorie des quanta (Investigación sobre la teoría cuántica), el físico francés Louis de Broglie planteó la hipótesis de que toda la materia puede representarse como una onda de Broglie a la manera de la luz . ^[51] Es decir, en las condiciones adecuadas, los electrones y otras materias mostrarían propiedades de partículas u ondas. Las propiedades corpusculares de una partícula se demuestran cuando se muestra que tiene una posición localizada en el espacio a lo largo de su trayectoria en un momento dado. ^[52] La naturaleza ondulatoria de la luz se muestra, por ejemplo, cuando un haz de luz pasa a través de rendijas paralelas creando interferencias.patrones. En 1927, George Paget Thomson descubrió que el efecto de interferencia se producía cuando un haz de electrones pasaba a través de láminas metálicas delgadas y los físicos estadounidenses Clinton Davisson y Lester Germer por el reflejo de electrones de un cristal de níquel . ^[53]

En mecánica cuántica, el comportamiento de un electrón en un átomo se describe mediante un orbital , que es una distribución de probabilidad en lugar de una órbita. En la figura, el sombreado indica la probabilidad relativa de "encontrar" el electrón, que tiene la energía correspondiente a los números cuánticos dados , en ese punto.

La predicción de De Broglie de una naturaleza ondulatoria para los electrones llevó a Erwin Schrödinger a postular una ecuación de onda para los electrones que se mueven bajo la influencia del núcleo del átomo. En 1926, esta ecuación, la ecuación de Schrödinger , describió con éxito cómo se propagaban las ondas de electrones. ^[54] En lugar de producir una solución que determinara la ubicación de un electrón a lo largo del tiempo, esta ecuación de onda también podría usarse para predecir la probabilidad de encontrar un electrón cerca de una posición, especialmente una posición cerca de donde el electrón estaba ligado en el espacio, por que las ecuaciones de ondas de electrones no cambiaron con el tiempo. Este enfoque condujo a una segunda formulación de la mecánica cuántica.(la primera de Heisenberg en 1925), y las soluciones de la ecuación de Schrödinger, como la de Heisenberg, proporcionaron derivaciones de los estados de energía de un electrón en un átomo de hidrógeno que eran equivalentes a las derivadas por primera vez por Bohr en 1913, y que se conocían para reproducir el espectro de hidrógeno. ^[55] Una vez que el espín y la interacción entre múltiples electrones se pudieron describir, la mecánica cuántica hizo posible predecir la configuración de electrones en átomos con números atómicos mayores que el hidrógeno. ^[56]

En 1928, basándose en el trabajo de Wolfgang Pauli, Paul Dirac produjo un modelo del electrón: la ecuación de Dirac , consistente con la teoría de la relatividad , aplicando consideraciones relativistas y de simetría a la formulación hamiltoniana de la mecánica cuántica del campo electromagnético. ^[57] Para resolver algunos problemas dentro de su ecuación relativista, Dirac desarrolló en 1930 un modelo del vacío como un mar infinito de partículas con energía negativa, más tarde apodado el mar de Dirac . Esto lo llevó a predecir la existencia de un positrón, la contraparte de antimateria del electrón. ^[58] Esta partícula fue descubierta en 1932 porCarl Anderson , quien propuso llamar negatones a los electrones estándar y usar electrón como término genérico para describir las variantes con carga positiva y negativa.

En 1947, Willis Lamb , trabajando en colaboración con el estudiante de posgrado Robert Retherford , descubrió que ciertos estados cuánticos del átomo de hidrógeno, que deberían tener la misma energía, se desplazaban entre sí; la diferencia pasó a llamarse el cambio de Lamb . Casi al mismo tiempo, Polykarp Kusch , en colaboración con Henry M. Foley , descubrió que el momento magnético del electrón es ligeramente mayor de lo que predijo la teoría de Dirac. Esta pequeña diferencia se denominó más tarde momento dipolar magnético anómalo del electrón. Esta diferencia fue explicada más tarde por la teoría de la electrodinámica cuántica , desarrollada por Sin-Itiro Tomonaga ,Julian Schwinger y Richard Feynman a finales de la década de 1940. ^[59]

Aceleradores de partículas

Con el desarrollo del acelerador de partículas durante la primera mitad del siglo XX, los físicos comenzaron a profundizar en las propiedades de las partículas subatómicas . ^[60] El primer intento exitoso de acelerar electrones usando inducción electromagnética fue realizado en 1942 por Donald Kerst . Su betatrón inicial alcanzó energías de 2,3 MeV, mientras que los betatrones posteriores alcanzaron 300 MeV. En 1947, se descubrió la radiación de sincrotrón con un sincrotrón de electrones de 70 MeV en General Electric . Esta radiación fue causada por la aceleración de los electrones a través de un campo magnético cuando se acercaron a la velocidad de la luz. ^[61]

Con una energía de haz de 1,5 GeV, el primer colisionador de partículas de alta energía fue ADONE , que comenzó a funcionar en 1968. ^[62] Este dispositivo aceleró electrones y positrones en direcciones opuestas, duplicando efectivamente la energía de su colisión en comparación con golpear una estática. objetivo con un electrón. ^[63] El Gran Colisionador de Electrones y Positrones (LEP) del CERN , que estuvo en funcionamiento entre 1989 y 2000, alcanzó energías de colisión de 209 GeV y realizó importantes mediciones para el Modelo Estándar de física de partículas. ^{[64] [65]}

Confinamiento de electrones individuales

Los electrones individuales ahora se pueden confinar fácilmente en transistores CMOS ultra pequeños ( L = 20 nm , W = 20 nm ) operados a temperatura criogénica en un rango de -269 ° C (4  K ) a aproximadamente -258 ° C (15  K ). ^[66] La función de onda del electrón se propaga en una red de semiconductores e interactúa de manera insignificante con los electrones de la banda de valencia, por lo que puede tratarse en el formalismo de una sola partícula, reemplazando su masa con el tensor de masa efectivo .

Características

Clasificación

Modelo estándar de partículas elementales. El electrón (símbolo e) está a la izquierda.

En el modelo estándar de física de partículas, los electrones pertenecen al grupo de partículas subatómicas llamadas leptones , que se cree que son partículas fundamentales o elementales . Los electrones tienen la masa más baja de cualquier leptón cargado (o partícula cargada eléctricamente de cualquier tipo) y pertenecen a la primera generación de partículas fundamentales. ^[67] La segunda y tercera generación contienen leptones cargados, el muón y la tau , que son idénticos al electrón a cargo, el espín y las interacciones , pero son más masivos. Los leptones se diferencian del otro constituyente básico de la materia, los quarks, por su falta de interacción fuerte . Todos los miembros del grupo de los leptones son fermiones, porque todos tienen espín entero medio impar; el electrón tiene espín1/2. ^[68]

Propiedades fundamentales

La masa invariante de un electrón es aproximadamente9,109 × 10 −31  kilogramos, ^[69] o5.489 × 10 ⁻⁴  unidades de masa atómica . Sobre la base de Einstein principio de 's equivalencia masa-energía , esta masa corresponde a una energía en reposo de 0,511 MeV . La relación entre la masa de un protón y la de un electrón es aproximadamente 1836. ^{[11] [70]} Las mediciones astronómicas muestran que la relación de masa protón-electrón ha mantenido el mismo valor, como predice el modelo estándar, para al menos la mitad de la edad del universo . ^[71]

Los electrones tienen una carga eléctrica de−1.602 176 634 × 10 ⁻¹⁹ culombios , ^[69] que se usa como unidad estándar de carga para partículas subatómicas, y también se llama carga elemental . Dentro de los límites de la precisión experimental, la carga del electrón es idéntica a la carga de un protón, pero con el signo opuesto. ^[72] Como el símbolo e se usa para la carga elemental , el electrón se simboliza comúnmente por
mi^-
, donde el signo menos indica la carga negativa. El positrón está simbolizado por
mi⁺
porque tiene las mismas propiedades que el electrón pero con una carga positiva en lugar de negativa. ^{[68] [69]}

El electrón tiene un momento angular intrínseco o espín de1/2. ^[69] Esta propiedad suele establecerse refiriéndose al electrón como un espín-1/2partícula. ^[68] Para tales partículas, la magnitud de giro esħ/2, ^{[73] [d]} mientras que el resultado de la medición de una proyección del giro en cualquier eje solo puede ser ±ħ/2. Además del giro, el electrón tiene un momento magnético intrínseco a lo largo de su eje de giro. ^[69] Es aproximadamente igual a un magneton de Bohr , ^{[74] [e]} que es una constante física igual a9.274 009 15 (23) × 10 ⁻²⁴  julios por tesla . ^[69] La orientación del espín con respecto al momento del electrón define la propiedad de las partículas elementales conocida como helicidad . ^[75]

El electrón no tiene una subestructura conocida . ^{[1] [76]} Sin embargo, en la física de la materia condensada , la separación de espín-carga puede ocurrir en algunos materiales. En tales casos, los electrones se "dividen" en tres partículas independientes, el spinon , el orbiton y el holon (o chargon). El electrón siempre se puede considerar teóricamente como un estado ligado de los tres, con el spinon que lleva el spin del electrón, la órbita que lleva el grado de libertad orbital y el chargon que lleva la carga, pero en ciertas condiciones pueden comportarse como cuasipartículas independientes. . ^{[77] [78] [79]}

La cuestión del radio del electrón es un problema desafiante de la física teórica moderna. La admisión de la hipótesis de un radio finito del electrón es incompatible con las premisas de la teoría de la relatividad. Por otro lado, un electrón puntual (radio cero) genera serias dificultades matemáticas debido a que la energía propia del electrón tiende al infinito. ^{[80] La} observación de un solo electrón en una trampa de Penning sugiere que el límite superior del radio de la partícula es de 10 a ²²  metros. ^[81] El límite superior del radio del electrón de ^10-18  metros ^[82] se puede derivar utilizando la relación de incertidumbre en energía. Allíes también una constante física llamada " radio clásico del electrón ", con el valor mucho mayor de2.8179 × 10 ⁻¹⁵  m , mayor que el radio del protón. Sin embargo, la terminología proviene de un cálculo simplista que ignora los efectos de la mecánica cuántica ; en realidad, el llamado radio clásico del electrón tiene poco que ver con la verdadera estructura fundamental del electrón. ^{[83] [84] [f]}

Hay partículas elementales que se descomponen espontáneamente en partículas menos masivas. Un ejemplo es el muón , con una vida media de2,2 × 10 ⁻⁶  segundos, que se desintegra en un electrón, un neutrino muónico y un antineutrino electrónico . Por otro lado, se cree que el electrón es estable sobre bases teóricas: el electrón es la partícula menos masiva con carga eléctrica distinta de cero, por lo que su desintegración violaría la conservación de la carga . ^[85] El límite inferior experimental para la vida media del electrón es6,6 × 10 ²⁸ años, con un nivel de confianza del 90% . ^{[8] [86] [87]}

Propiedades cuánticas

Como ocurre con todas las partículas, los electrones pueden actuar como ondas. Esto se llama dualidad onda-partícula y se puede demostrar usando el experimento de doble rendija .

La naturaleza ondulatoria del electrón le permite pasar a través de dos rendijas paralelas simultáneamente, en lugar de solo una rendija como sería el caso de una partícula clásica. En mecánica cuántica, la propiedad ondulatoria 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 que se observe una partícula cerca de una ubicación: una densidad de probabilidad . ^{[88] : 162–218}

Ejemplo de una función de onda antisimétrica para un estado cuántico de dos fermiones idénticos en una caja unidimensional . Si las partículas cambian de posición, la función de onda invierte su signo.

Los electrones son partículas idénticas porque no se pueden distinguir entre sí por sus propiedades físicas intrínsecas. En mecánica cuántica, esto significa que un par de electrones que interactúan deben poder intercambiar posiciones sin un cambio observable en el estado del sistema. La función de onda de los fermiones, incluidos los electrones, es antisimétrica, lo que significa que cambia de signo cuando se intercambian dos electrones; es decir, ψ ( r ₁ , r ₂ ) = - ψ ( r ₂ , r ₁ ) , donde las variables r ₁ y r ₂corresponden al primer y segundo electrones, respectivamente. Dado que el valor absoluto no se cambia por un intercambio de signo, esto corresponde a probabilidades iguales. Los bosones , como el fotón, tienen funciones de onda simétricas. ^{[88] : 162–218}

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 cada par ocupe la misma ubicación o estado. Esto es responsable del principio de exclusión de Pauli , que impide que dos electrones ocupen el mismo estado cuántico. Este principio explica muchas de las propiedades de los electrones. Por ejemplo, hace que grupos de electrones ligados ocupen orbitales diferentes en un átomo, en lugar de que todos se superpongan en la misma órbita. ^{[88] : 162–218}

Partículas virtuales

Artículo principal: partícula virtual

En una imagen simplificada, que a menudo tiende a dar una idea errónea pero que puede servir para ilustrar algunos aspectos, cada fotón pasa algún tiempo como una combinación de un electrón virtual más su antipartícula, el positrón virtual, que rápidamente se aniquilan entre sí poco tiempo después. ^[89] La combinación de la variación de energía necesaria para crear estas partículas, y el tiempo durante el cual existen, cae por debajo del umbral de detectabilidad expresado por la relación de incertidumbre de Heisenberg , Δ E  · Δ t  ≥  ħ . En efecto, la energía necesaria para crear estas partículas virtuales, Δ E , se puede "tomar prestada" del vacío durante un período de tiempo, Δ t, de modo que su producto no sea mayor que la constante de Planck reducida , ħ ≈6,6 × 10 ⁻¹⁶  eV · s . Por lo tanto, para un electrón virtual, Δ t es como máximo1,3 × 10 ⁻²¹  s . ^[90]

Una representación esquemática de pares virtuales de electrón-positrón que aparecen al azar cerca de un electrón (en la parte inferior izquierda)

Mientras existe un par virtual electrón-positrón, la fuerza de Coulomb del campo eléctrico ambiental que rodea a un electrón hace que un positrón creado sea atraído por el electrón original, mientras que un electrón creado experimenta una repulsión. Esto provoca lo que se llama polarización de vacío . En efecto, el vacío se comporta como un medio que tiene una permitividad dieléctrica mayor que la unidad . Por tanto, la carga efectiva de un electrón es en realidad menor que su valor real, y la carga disminuye al aumentar la distancia del electrón. ^{[91] [92]} Esta polarización se confirmó experimentalmente en 1997 utilizando el TRISTAN japonés.acelerador de partículas. ^[93] Las partículas virtuales causan un efecto de blindaje comparable para la masa del electrón. ^[94]

La interacción con partículas virtuales también explica la pequeña (alrededor de 0,1%) desviación del momento magnético intrínseco del electrón del magnetón de Bohr (el momento magnético anómalo ). ^{[74] [95]} La concordancia extraordinariamente precisa de esta diferencia predicha con el valor determinado experimentalmente se considera uno de los grandes logros de la electrodinámica cuántica . ^[96]

La aparente paradoja en la física clásica de un electrón de partícula puntual que tiene momento angular intrínseco y momento magnético puede explicarse por la formación de fotones virtuales en el campo eléctrico generado por el electrón. Se puede pensar heurísticamente que estos fotones hacen que el electrón se mueva de una manera nerviosa (conocida como zitterbewegung ), lo que da como resultado un movimiento circular neto con precesión . ^[97] Este movimiento produce tanto el giro como el momento magnético del electrón. ^[10] En los átomos, esta creación de fotones virtuales explica el desplazamiento de Lamb observado en las líneas espectrales . ^[91]La longitud de onda de Compton muestra que cerca de partículas elementales como el electrón, la incertidumbre de la energía permite la creación de partículas virtuales cerca del electrón. Esta longitud de onda explica la "estática" de las partículas virtuales alrededor de partículas elementales a corta distancia.

Interacción

Un electrón genera un campo eléctrico que ejerce una fuerza de atracción sobre una partícula con carga positiva, como el protón, y una fuerza repulsiva sobre una partícula con carga negativa. La fuerza de esta fuerza en aproximación no relativista está determinada por la ley del cuadrado inverso de Coulomb . ^{[98] ( págs . 58–61 )} Cuando un electrón está en movimiento, genera un campo magnético . ^{[88] ( p140 )} La ley de Ampère-Maxwell relaciona el campo magnético con el movimiento de masa de los electrones (la corriente ) con respecto a un observador. Esta propiedad de inducción suministra el campo magnético que impulsa un motor eléctrico.. ^[99] El campo electromagnético de una partícula cargada en movimiento arbitrario se expresa mediante los potenciales de Liénard-Wiechert , que son válidos incluso cuando la velocidad de la partícula es cercana a la de la luz ( relativista ). ^{[98] ( págs . 429 a 434 )}

Una partícula con carga q (a la izquierda) se mueve con velocidad v a través de un campo magnético B que está orientado hacia el espectador. Para un electrón, q es negativo, por lo que sigue una trayectoria curva hacia la parte superior.

Cuando un electrón se mueve a través de un campo magnético, está sujeto a la fuerza de Lorentz que actúa perpendicularmente al plano definido por el campo magnético y la velocidad del electrón. Esta fuerza centrípeta hace que el electrón siga una trayectoria helicoidal a través del campo en un radio llamado radio de giro . La aceleración de este movimiento de curva induce al electrón a irradiar energía en forma de radiación de sincrotrón. ^{[100] [g] [88] ( p160 )} La emisión de energía a su vez provoca un retroceso del electrón, conocido como Fuerza Abraham-Lorentz-Dirac., lo que crea una fricción que ralentiza el electrón. Esta fuerza es causada por una reacción inversa del propio campo del electrón sobre sí mismo. ^[101]

Aquí, Bremsstrahlung es producido por un electrón e desviado por el campo eléctrico de un núcleo atómico. El cambio de energía E ₂  -  E ₁ determina la frecuencia f del fotón emitido.

Los fotones median las interacciones electromagnéticas entre partículas en la electrodinámica cuántica . Un electrón aislado a velocidad constante no puede emitir ni absorber un fotón real; hacerlo violaría la conservación de la energía y el impulso . En cambio, los fotones virtuales pueden transferir impulso entre dos partículas cargadas. Este intercambio de fotones virtuales, por ejemplo, genera la fuerza de Coulomb. ^[102] La emisión de energía puede ocurrir 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 Bremsstrahlung . ^[103]

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 impulso y energía entre las partículas, lo que modifica la longitud de onda del fotón en una cantidad llamada desplazamiento de Compton . ^[h] La magnitud máxima de este cambio de longitud de onda es h / m _e c , que se conoce como longitud de onda de Compton . ^[104] Para un electrón, tiene un valor de2,43 × 10 ⁻¹²  m . ^[69] Cuando la longitud de onda de la luz es larga (por ejemplo, la longitud de onda de la luz visible es de 0,4 a 0,7 μm), el desplazamiento de la longitud de onda se vuelve insignificante. Esta interacción entre la luz y los electrones libres se denomina dispersión de Thomson o dispersión lineal de Thomson. ^[105]

La fuerza relativa de la interacción electromagnética entre dos partículas cargadas, como un electrón y un protón, viene dada por la constante de estructura fina . Este valor es una cantidad adimensional formada por la relación de dos energías: la energía electrostática de atracción (o repulsión) a una separación de una longitud de onda Compton y la energía en reposo de la carga. Está dado por α  ≈ 7.297 353 × 10 ⁻³ , que es aproximadamente igual a1/137. ^[69]

Cuando los electrones y los positrones chocan, se aniquilan entre sí, dando lugar a dos o más fotones de rayos gamma. Si el electrón y el positrón tienen un momento insignificante, se puede formar un átomo de positronio antes de que la aniquilación dé como resultado dos o tres fotones de rayos gamma por un total de 1.022 MeV. ^{[106] [107]} Por otro lado, un fotón de alta energía puede transformarse en un electrón y un positrón mediante un proceso llamado producción de pares , pero solo en presencia de una partícula cargada cercana, como un núcleo. ^{[108] [109]}

En la teoría de la interacción electrodébil , el componente zurdo de la función de onda del electrón forma un doblete isospin débil con el neutrino electrónico . Esto significa que durante las interacciones débiles , los neutrinos electrónicos se comportan como electrones. Cualquiera de los miembros de este doblete puede sufrir una interacción de corriente cargada emitiendo o absorbiendo unWy convertirse en el otro miembro. La carga se conserva durante esta reacción porque el bosón W también lleva una carga, cancelando cualquier cambio neto durante la transmutación. Las interacciones de corriente cargadas son responsables del fenómeno de desintegración beta en un átomo radiactivo . Tanto el electrón como el neutrino electrónico pueden experimentar una interacción de corriente neutra a través de unZ0intercambio, y esto es responsable de la dispersión elástica de neutrino-electrones . ^[110]

Átomos y moléculas

Artículo principal: Atom

Densidades de probabilidad para los primeros orbitales del átomo de hidrógeno, vistas en sección transversal. El nivel de energía de un electrón ligado determina el orbital que ocupa y el color refleja la probabilidad de encontrar el electrón en una posición determinada.

Un electrón puede estar unido al núcleo de un átomo por la fuerza de atracción de Coulomb. Un sistema de uno o más electrones unidos a un núcleo se llama átomo. Si el número de electrones es diferente de la carga eléctrica del núcleo, dicho átomo se llama ion . El comportamiento ondulatorio 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 del momento angular, y solo existe un conjunto discreto de estos orbitales alrededor del núcleo. Según el principio de exclusión de Pauli, cada orbital puede estar ocupado por hasta dos electrones, que deben diferir en su número cuántico de espín .

Los electrones pueden transferirse entre diferentes orbitales mediante la emisión o absorción de fotones con una energía que coincide con la diferencia de potencial. ^{[111] : 159–160} Otros métodos de transferencia orbital incluyen colisiones con partículas, como electrones, y el efecto Auger . ^[112] Para escapar del átomo, la energía del electrón debe incrementarse por encima de su energía de enlace con el átomo. Esto ocurre, por ejemplo, con el efecto fotoeléctrico , donde un fotón incidente que excede la energía de ionización del átomo es absorbido por el electrón. ^{[111] : 127-132}

Se cuantifica el momento angular orbital de los electrones . Debido a que el electrón está cargado, produce un momento magnético orbital que es proporcional al momento angular. El momento magnético neto de un átomo es igual a la suma vectorial de los momentos magnéticos orbitales y de espín de todos los electrones y el núcleo. El momento magnético del núcleo es insignificante en comparación con el de los electrones. Los momentos magnéticos de los electrones que ocupan el mismo orbital (los llamados electrones emparejados) se cancelan entre sí. ^[113]

El enlace químico entre átomos se produce como resultado de interacciones electromagnéticas, como se describe en las leyes de la mecánica cuántica. ^[114] Los enlaces más fuertes se forman al compartir o transferir electrones entre átomos, lo que permite la formación de moléculas . ^[13] Dentro de una molécula, los electrones se mueven bajo la influencia de varios núcleos y ocupan orbitales moleculares ; por mucho que puedan ocupar orbitales atómicos en átomos aislados. ^[115] Un factor fundamental en estas estructuras moleculares es la existencia de pares de electrones. Estos son electrones con espines opuestos, lo que les permite ocupar el mismo orbital molecular sin violar el principio de exclusión de Pauli (al igual que en los átomos). Los diferentes orbitales moleculares tienen una distribución espacial diferente de la densidad de electrones. Por ejemplo, en pares enlazados (es decir, en los pares que en realidad unen átomos) se pueden encontrar electrones con la máxima probabilidad en un volumen relativamente pequeño entre los núcleos. Por el contrario, en los pares no enlazados, los electrones se distribuyen en un gran volumen alrededor de los núcleos. ^[116]

Conductividad

La descarga de un rayo consiste principalmente en un flujo de electrones. ^[117] El potencial eléctrico necesario para los rayos se puede generar mediante un efecto triboeléctrico. ^{[118] [119]}

Si un cuerpo tiene más o menos electrones de los necesarios para equilibrar la carga positiva de los núcleos, ese objeto tiene una carga eléctrica neta. Cuando hay un exceso de electrones, se dice que el objeto tiene carga negativa. Cuando hay menos electrones que protones en los núcleos, se dice que el objeto está cargado positivamente. Cuando el número de electrones y el número de protones son iguales, sus cargas se cancelan entre sí y se dice que el objeto es eléctricamente neutro. Un cuerpo macroscópico puede desarrollar una carga eléctrica por frotamiento, por efecto triboeléctrico . ^[120]

Los electrones independientes que se mueven en el vacío se denominan electrones libres . Los electrones de los metales también se comportan como si fueran libres. En realidad, las partículas que se denominan comúnmente electrones en metales y otros sólidos son cuasi-electrones , cuasipartículas , que tienen la misma carga eléctrica, espín y momento magnético que los electrones reales, pero pueden tener una masa diferente. ^[121] Cuando los electrones libres, tanto en el vacío como en los metales, se mueven, producen un flujo neto de carga llamado corriente eléctrica , que genera un campo magnético. Asimismo, se puede crear una corriente mediante un campo magnético cambiante. Estas interacciones se describen matemáticamente mediante las ecuaciones de Maxwell . ^[122]

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. En cualquier material dieléctrico , los electrones permanecen unidos a sus respectivos átomos y el material se comporta como un aislante . La mayoría de los semiconductores tienen un nivel variable de conductividad que se encuentra entre los extremos de conducción y aislamiento. ^[123] Por otro lado, los metales tienen una estructura de banda electrónica.que contiene bandas electrónicas parcialmente llenas. La presencia de tales bandas permite que los electrones de los metales se comporten como si fueran electrones libres o deslocalizados . Estos electrones no están asociados con átomos específicos, por lo que cuando se aplica un campo eléctrico, son libres de moverse como un gas (llamado gas de Fermi ) ^{[124] a} través del material al igual que los electrones libres.

Debido a las colisiones entre electrones y átomos, la velocidad de deriva de los electrones en un conductor es del orden de milímetros por segundo. Sin embargo, la velocidad a la que un cambio de corriente en un punto del material provoca cambios en las corrientes en otras partes del material, la velocidad de propagación , es típicamente alrededor del 75% de la velocidad de la luz. ^[125] Esto ocurre porque las señales eléctricas se propagan como una onda, con la velocidad dependiente de la constante dieléctrica del material. ^[126]

Los metales son conductores de calor relativamente buenos, principalmente porque los electrones deslocalizados tienen libertad para transportar energía térmica entre átomos. Sin embargo, a diferencia de la conductividad eléctrica, la conductividad térmica de un metal es casi independiente de la temperatura. Esto se expresa matemáticamente mediante la ley de Wiedemann-Franz , ^[124] que establece que la relación entre la conductividad térmica y la conductividad eléctrica es proporcional a la temperatura. El desorden térmico en la red metálica aumenta la resistividad eléctrica del material, produciendo una dependencia de la temperatura para la corriente eléctrica. ^[127]

Cuando se enfrían por debajo de un punto llamado temperatura crítica , los materiales pueden experimentar una transición de fase en la que pierden toda la resistividad a la corriente eléctrica, en un proceso conocido como superconductividad . En la teoría BCS , los pares de electrones llamados pares de Cooper tienen su movimiento acoplado a la materia cercana a través de vibraciones de celosía llamadas fonones , evitando así las colisiones con átomos que normalmente crean resistencia eléctrica. ^[128] (Los pares de Cooper tienen un radio de aproximadamente 100 nm, por lo que pueden superponerse entre sí). ^[129] Sin embargo, el mecanismo por el cual operan los superconductores de temperatura más alta sigue siendo incierto.

Los electrones dentro de los sólidos conductores, que son cuasi-partículas en sí mismos, cuando están estrechamente confinados a temperaturas cercanas al cero absoluto , se comportan como si se hubieran dividido en otras tres cuasipartículas : espinones , orbitones y holones . ^{[130] [131]} El primero lleva el giro y el momento magnético, el siguiente lleva su ubicación orbital mientras que el segundo carga eléctrica.

Movimiento y energía

Según la teoría de la relatividad especial de Einstein , a medida que la velocidad de un electrón se acerca a la velocidad de la luz , desde el punto de vista del observador, su masa relativista aumenta, lo que dificulta cada vez más su aceleración desde el marco de referencia del observador. La velocidad de un electrón puede acercarse, pero nunca alcanzar, la velocidad de la luz en el vacío, c . Sin embargo, cuando los electrones relativistas, es decir, los electrones que se mueven a una velocidad cercana a c, se inyectan en un medio dieléctrico como el agua, donde la velocidad local de la luz es significativamente menor que c, los electrones viajan temporalmente más rápido que la luz en el medio. A medida que interactúan con el medio, generan una luz tenue llamada radiación de Cherenkov . ^[132]

Factor de Lorentz en función de la velocidad. Comienza en el valor 1 y va hasta el infinito cuando v se acerca a c .

Los efectos de la relatividad especial se basan en una cantidad conocida como factor de Lorentz , definido como donde v es la velocidad de la partícula. La energía cinética K _e de un electrón que se mueve con velocidad v es:${\displaystyle \scriptstyle \gamma =1/{\sqrt {1-{v^{2}}/{c^{2}}}}}$

${\displaystyle \displaystyle K_{\mathrm {e} }=(\gamma -1)m_{\mathrm {e} }c^{2},}$

donde m _e es la masa del electrón. Por ejemplo, el acelerador lineal de Stanford puede acelerar un electrón a aproximadamente 51 GeV. ^[133] Dado que un electrón se comporta como una onda, a una velocidad dada tiene una longitud de onda característica de De Broglie . Esto está dado por λ _e  =  h / p , donde h es la constante de Planck y p es el impulso. ^[51] Para el electrón de 51 GeV anterior, la longitud de onda es aproximadamente2,4 × 10 ⁻¹⁷  m , lo suficientemente pequeño como para explorar estructuras muy por debajo del tamaño de un núcleo atómico. ^[134]

Formación

Producción de pares de un electrón y un positrón, causada por el acercamiento cercano de un fotón con un núcleo atómico. El símbolo del rayo representa un intercambio de un fotón virtual, por lo que actúa una fuerza eléctrica. El ángulo entre las partículas es muy pequeño. ^[135]

La teoría del Big Bang es la teoría científica más aceptada para explicar las primeras etapas de la evolución del Universo. ^[136] Durante el primer milisegundo del Big Bang, las temperaturas superaron los 10 mil millones de  kelvin y los fotones tenían energías medias de más de un millón de electronvoltios . Estos fotones eran lo suficientemente energéticos como para reaccionar entre sí para formar pares de electrones y positrones. Del mismo modo, los pares de positrones y electrones se aniquilaron entre sí y emitieron fotones energéticos:

γ +
γ
↔ mi+ +
mi^-

Durante esta fase de la evolución del Universo se mantuvo un equilibrio entre electrones, positrones y fotones. Sin embargo, después de 15 segundos, la temperatura del universo descendió por debajo del umbral en el que podría producirse la formación de electrones y positrones. La mayoría de los electrones y positrones supervivientes se aniquilaron entre sí, liberando radiación gamma que recalentó brevemente el universo. ^[137]

Por razones que siguen siendo inciertas, durante el proceso de aniquilación hubo un exceso en el número de partículas sobre las antipartículas. Por lo tanto, sobrevivió aproximadamente un electrón por cada mil millones de pares de electrones y positrones. Este exceso coincidió con el exceso de protones sobre antiprotones, en una condición conocida como asimetría bariónica , lo que resultó en una carga neta de cero para el universo. ^{[138] [139]} Los protones y neutrones supervivientes comenzaron a participar en reacciones entre sí, en el proceso conocido como nucleosíntesis , formando isótopos de hidrógeno y helio , con trazas de litio . Este proceso alcanzó su punto máximo después de unos cinco minutos. ^[140] Todos los neutrones sobrantes se sometieron adesintegración beta con una vida media de aproximadamente mil segundos, liberando un protón y un electrón en el proceso,

norte → pag +
mi^-
+ νmi

Para el próximo 300 000 -400 000  años , el exceso de electrones permaneció demasiado enérgico para unirse a los núcleos atómicos . ^[141] Lo que siguió es un período conocido como recombinación , cuando se formaron átomos neutros y el universo en expansión se volvió transparente a la radiación. ^[142]

Aproximadamente un millón de años después del Big Bang, comenzó a formarse la primera generación de estrellas . ^[142] Dentro de una estrella, la nucleosíntesis estelar da como resultado la producción de positrones a partir de la fusión de núcleos atómicos. Estas partículas de antimateria se aniquilan inmediatamente con electrones, liberando rayos gamma. El resultado neto es una reducción constante en el número de electrones y un aumento coincidente en el número de neutrones. Sin embargo, el proceso de evolución estelar puede resultar en la síntesis de isótopos radiactivos. Los isótopos seleccionados pueden sufrir posteriormente una desintegración beta negativa, emitiendo un electrón y un antineutrino desde el núcleo. ^[143] Un ejemplo es el cobalto-60 ( ⁶⁰Co) isótopo, que se desintegra para formar níquel-60 (⁶⁰
Ni
). ^[144]

Una lluvia de aire prolongada generada por un rayo cósmico energético que golpea la atmósfera de la Tierra.

Al final de su vida, una estrella con más de unas 20 masas solares puede sufrir un colapso gravitacional para formar un agujero negro . ^[145] Según la física clásica , estos objetos estelares masivos ejercen una atracción gravitacional que es lo suficientemente fuerte como para evitar que cualquier cosa, incluso la radiación electromagnética , escape más allá del radio de Schwarzschild . Sin embargo, se cree que los efectos de la mecánica cuántica permiten potencialmente la emisión de radiación de Hawking a esta distancia. Se cree que los electrones (y positrones) se crean en el horizonte de eventos de estos remanentes estelares..

Cuando se crea un par de partículas virtuales (como un electrón y un positrón) en las proximidades del horizonte de sucesos, el posicionamiento espacial aleatorio puede hacer que una de ellas aparezca en el exterior; este proceso se llama tunelización cuántica . El potencial gravitacional del agujero negro puede suministrar la energía que transforma esta partícula virtual en una partícula real, lo que le permite irradiar hacia el espacio. ^[146] A cambio, el otro miembro del par recibe energía negativa, lo que resulta en una pérdida neta de masa-energía por parte del agujero negro. La tasa de radiación de Hawking aumenta con la masa decreciente, lo que eventualmente hace que el agujero negro se evapore hasta que, finalmente, explote. ^[147]

Los rayos cósmicos son partículas que viajan por el espacio con altas energías. Eventos energéticos tan altos comoSe han registrado 3,0 × 10 ²⁰  eV . ^[148] Cuando estas partículas chocan con los nucleones en la atmósfera de la Tierra , se genera una lluvia de partículas, incluidos los piones . ^[149] Más de la mitad de la radiación cósmica observada desde la superficie de la Tierra consiste en muones . La partícula llamada muón es un leptón producido en la atmósfera superior por la desintegración de un pión.

π- → μ- + νμ

Un muón, a su vez, puede descomponerse para formar un electrón o un positrón. ^[150]

μ^-
→
mi^-
+ νmi + νμ

Observación

Las auroras son causadas principalmente por electrones energéticos que se precipitan en la atmósfera . ^[151]

La observación remota de electrones requiere la detección de su energía radiada. Por ejemplo, en entornos de alta energía como la corona de una estrella, los electrones libres forman un plasma que irradia energía debido a la radiación de Bremsstrahlung . El gas de electrones puede sufrir una oscilación de plasma , que son ondas causadas por variaciones sincronizadas en la densidad de electrones, y estas producen emisiones de energía que pueden detectarse mediante radiotelescopios . ^[152]

La frecuencia de un fotón es proporcional a su energía. A medida que un electrón ligado hace la transición entre diferentes niveles de energía de un átomo, absorbe o emite fotones a frecuencias características. Por ejemplo, cuando los átomos son irradiados por una fuente con un espectro amplio, aparecen líneas oscuras distintas en el espectro de la radiación transmitida en lugares donde la frecuencia correspondiente es absorbida por los electrones del átomo. Cada elemento o molécula muestra un conjunto característico de líneas espectrales, como la serie espectral del hidrógeno . Cuando se detectan, las mediciones espectroscópicas de la fuerza y ​​el ancho de estas líneas permiten determinar la composición y las propiedades físicas de una sustancia. ^[153][154]

En condiciones de laboratorio, las interacciones de electrones individuales se pueden observar mediante detectores de partículas , que permiten medir propiedades específicas como energía, espín y carga. ^[155] El desarrollo de la trampa de Paul y la trampa de Penning permite que las partículas cargadas estén contenidas dentro de una pequeña región durante períodos prolongados. Esto permite mediciones precisas de las propiedades de las partículas. Por ejemplo, en un caso se utilizó una trampa de Penning para contener un solo electrón durante un período de 10 meses. ^[156] El momento magnético del electrón se midió con una precisión de once dígitos, lo que, en 1980, era una precisión mayor que para cualquier otra constante física. ^[157]

Las primeras imágenes de video de la distribución de energía de un electrón fueron capturadas por un equipo de la Universidad de Lund en Suecia, en febrero de 2008. Los científicos utilizaron destellos de luz extremadamente cortos, llamados pulsos de attosegundos , que permitieron observar el movimiento de un electrón por primera vez. ^{[158] [159]}

La distribución de los electrones en materiales sólidos se puede visualizar mediante espectroscopía de fotoemisión resuelta en ángulo (ARPES). Esta técnica emplea el efecto fotoeléctrico para medir el espacio recíproco, una representación matemática de estructuras periódicas que se utiliza para inferir la estructura original. ARPES se puede utilizar para determinar la dirección, velocidad y dispersión de electrones dentro del material. ^[160]

Aplicaciones de plasma

Haces de partículas

Durante una prueba de túnel de viento de la NASA , un modelo del transbordador espacial es apuntado por un haz de electrones, simulando el efecto de los gases ionizantes durante el reingreso . ^[161]

Los haces de electrones se utilizan en la soldadura . ^[162] Permiten densidades de energía de hasta10 ⁷  W · cm ^{−2 a} través de un diámetro de foco estrecho de 0,1–1,3 mm y normalmente no requieren material de relleno. Esta técnica de soldadura debe realizarse al vacío para evitar que los electrones interactúen con el gas antes de alcanzar su objetivo, y se puede utilizar para unir materiales conductores que de otro modo se considerarían inadecuados para la soldadura. ^{[163] [164]}

La litografía por haz de electrones (EBL) es un método para grabar semiconductores a resoluciones inferiores a un micrómetro . ^[165] Esta técnica está limitada por los altos costos, el bajo rendimiento, la necesidad de operar el haz en el vacío y la tendencia de los electrones a dispersarse en sólidos. El último problema limita la resolución a unos 10 nm. Por esta razón, EBL se utiliza principalmente para la producción de pequeñas cantidades de circuitos integrados especializados . ^[166]

El procesamiento por haz de electrones se utiliza para irradiar materiales con el fin de cambiar sus propiedades físicas o esterilizar productos médicos y alimenticios. ^[167] Los haces de electrones fluidifican o cuasi-derriten los vidrios sin un aumento significativo de temperatura en la irradiación intensiva: por ejemplo, la radiación de electrones intensiva provoca una disminución de la viscosidad de muchos órdenes de magnitud y una disminución gradual de su energía de activación. ^[168]

Los aceleradores de partículas lineales generan haces de electrones para el tratamiento de tumores superficiales en radioterapia . La terapia con electrones puede tratar lesiones cutáneas como los carcinomas de células basales porque un haz de electrones solo penetra hasta una profundidad limitada antes de ser absorbido, típicamente hasta 5 cm para energías de electrones en el rango de 5 a 20 MeV. Un haz de electrones se puede utilizar para complementar el tratamiento de áreas que han sido irradiados por rayos-X . ^{[169] [170]}

Los aceleradores de partículas utilizan campos eléctricos para impulsar los electrones y sus antipartículas a altas energías. Estas partículas emiten radiación de sincrotrón al atravesar campos magnéticos. La dependencia de la intensidad de esta radiación sobre el espín polariza el haz de electrones, un proceso conocido como efecto Sokolov-Ternov . ^{[i] Los} haces de electrones polarizados pueden ser útiles para varios experimentos. La radiación de sincrotrón también puede enfriar los haces de electrones para reducir la propagación del impulso de las partículas. Los haces de electrones y positrones chocan con la aceleración de las partículas a las energías requeridas; Los detectores de partículas observan las emisiones de energía resultantes, que la física de partículasestudios. ^[171]

Imágenes

La difracción de electrones de baja energía (LEED) es un método para bombardear un material cristalino con un haz colimado de electrones y luego observar los patrones de difracción resultantes para determinar la estructura del material. La energía requerida de los electrones suele estar en el rango de 20 a 200 eV. ^[172] La técnica de reflexión por difracción de electrones de alta energía (RHEED) utiliza la reflexión de un haz de electrones disparados en varios ángulos bajos para caracterizar la superficie de los materiales cristalinos. La energía del haz está típicamente en el rango de 8 a 20 keV y el ángulo de incidencia es de 1 a 4 °. ^{[173] [174]}

El microscopio electrónico dirige un haz de electrones enfocado a una muestra. Algunos electrones cambian sus propiedades, como la dirección del movimiento, el ángulo y la fase y energía relativas a medida que el haz interactúa con el material. Los microscopistas pueden registrar estos cambios en el haz de electrones para producir imágenes del material con resolución atómica. ^[175] En luz azul, los microscopios ópticos convencionales tienen una resolución limitada por difracción de aproximadamente 200 nm. ^[176] En comparación, los microscopios electrónicos están limitados por la longitud de onda de De Broglie del electrón. Esta longitud de onda, por ejemplo, es igual a 0,0037 nm para electrones acelerados a través de un potencial de 100.000 voltios . ^[177] ElEl microscopio con corrección de aberraciones electrónicas de transmisión tiene una resolución inferior a 0,05 nm, que es más que suficiente para resolver átomos individuales. ^[178] Esta capacidad hace que el microscopio electrónico sea un instrumento de laboratorio útil para obtener imágenes de alta resolución. Sin embargo, los microscopios electrónicos son instrumentos costosos que son costosos de mantener.

Existen dos tipos principales de microscopios electrónicos: transmisión y barrido . Los microscopios electrónicos de transmisión funcionan como retroproyectores , con un haz de electrones que pasa a través de un trozo de material y luego se proyecta mediante lentes en una diapositiva fotográfica o un dispositivo de carga acoplada . Los microscopios electrónicos de barrido rasteri un haz de electrones finamente enfocado, como en un televisor, a través de la muestra estudiada para producir la imagen. Los aumentos varían de 100 × a 1,000,000 × o más para ambos tipos de microscopio. El microscopio de efecto túnelutiliza un túnel cuántico de electrones desde una punta de metal afilada hasta el material estudiado y puede producir imágenes de su superficie con resolución atómica. ^{[179] [180] [181]}

Otras aplicaciones

En el láser de electrones libres (FEL), un haz de electrones relativista pasa a través de un par de onduladores que contienen conjuntos de imanes dipolos cuyos campos apuntan en direcciones alternas. Los electrones emiten radiación de sincrotrón que interactúa coherentemente con los mismos electrones para amplificar fuertemente el campo de radiación a la frecuencia de resonancia . FEL puede emitir una radiación electromagnética coherente de alto brillo con una amplia gama de frecuencias, desde microondas hasta rayos X suaves. Estos dispositivos se utilizan en la fabricación, la comunicación y en aplicaciones médicas, como la cirugía de tejidos blandos. ^[182]

Los electrones son importantes en los tubos de rayos catódicos , que se han utilizado ampliamente como dispositivos de visualización en instrumentos de laboratorio, monitores de computadora y televisores . ^[183] En un tubo fotomultiplicador , cada fotón que golpea el fotocátodo inicia una avalancha de electrones que produce un pulso de corriente detectable. ^[184] Los tubos de vacío utilizan el flujo de electrones para manipular señales eléctricas y desempeñaron un papel fundamental en el desarrollo de la tecnología electrónica. Sin embargo, han sido reemplazados en gran medida por dispositivos de estado sólido como el transistor . ^[185]

Ver también

• Anyon
• Radiación beta
• Electride
• Burbuja de electrones
• Emisión de exoelectrones
• factor g
• Lepton
• Lista de partículas
• Sistemas periódicos de moléculas pequeñas.
• Espintrónica
• Experimento de Stern-Gerlach
• Descarga Townsend
• Efecto Zeeman

Notas

1. El denominador de la versión fraccionaria es el inverso del valor decimal (junto con su incertidumbre estándar relativa de4,2 × 10 ⁻¹³  u ).
2. La carga del electrón es el negativo de la carga elemental , que tiene un valor positivo para el protón.
3. Tenga en cuenta que las fuentes más antiguas enumeran carga a masa en lugar de la convención moderna de relación masa a carga.
4. Esta magnitud se obtiene del número cuántico de espín como

   ${\displaystyle {\begin{alignedat}{2}S&={\sqrt {s(s+1)}}\cdot {\frac {h}{2\pi }}\\&={\frac {\sqrt {3}}{2}}\hbar \\\end{alignedat}}}$

   para el número cuántico s =1/2.
   Ver: Gupta (2001).
5. Magnetón de Bohr:

   ${\displaystyle \textstyle \mu _{\mathrm {B} }={\frac {e\hbar }{2m_{\mathrm {e} }}}.}$

6. El radio clásico del electrón se obtiene de la siguiente manera. Suponga que la carga del electrón se distribuye uniformemente a lo largo de un volumen esférico. Dado que una parte de la esfera repelería a las otras partes, la esfera contiene energía potencial electrostática. Se supone que esta energía es igual a la energía en reposo del electrón, definida por la relatividad especial ( E  =  mc ² ).
   De la teoría de la electrostática , la energía potencial de una esfera con radio r y carga e viene dada por:

   ${\displaystyle E_{\mathrm {p} }={\frac {e^{2}}{8\pi \varepsilon _{0}r}},}$

   donde ε ₀ es la permitividad del vacío . Para un electrón con masa en reposo m ₀ , la energía en reposo es igual a:

   ${\displaystyle \textstyle E_{\mathrm {p} }=m_{0}c^{2},}$

   donde c es la velocidad de la luz en el vacío. Al establecerlos iguales y resolver para r, se obtiene el radio clásico del electrón.
   Ver: Haken, Wolf y Brewer (2005).
7. La radiación de electrones no relativistas a veces se denomina radiación de ciclotrón .
8. El cambio en la longitud de onda, Δ λ , depende del ángulo de retroceso, θ , como sigue,

   ${\displaystyle \textstyle \Delta \lambda ={\frac {h}{m_{\mathrm {e} }c}}(1-\cos \theta ),}$

   donde c es la velocidad de la luz en el vacío y m _e es la masa del electrón. Ver Zombeck (2007). ^{[70] ( p. 393, 396 )}
9. La polarización de un haz de electrones significa que los espines de todos los electrones apuntan en una dirección. En otras palabras, las proyecciones de los espines de todos los electrones sobre su vector de momento tienen el mismo signo.

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