Elétron

O elétron (
e^-
ou
β⁻
) é uma partícula subatômica com uma carga elétrica elementar negativa. Os elétrons pertencem à primeira geração da família de partículas leptônicas e geralmente são consideradas partículas elementares porque não possuem componentes ou subestrutura conhecidos. A massa do elétron é aproximadamente 1/1836 da massa do próton. As propriedades mecânicas quânticas do elétron incluem um momento angular intrínseco (spin) de um valor semi-inteiro, expresso em unidades da constante de Planck reduzida, ħ . Sendo férmions, dois elétrons não podem ocupar o mesmo estado quântico, de acordo com o princípio de exclusão de Pauli. Como todas as partículas elementares, os elétrons exibem propriedades de partículas e ondas: eles podem colidir com outras partículas e podem ser difratados como a luz. As propriedades ondulatórias dos elétrons são mais fáceis de observar com experimentos do que as de outras partículas, como nêutrons e prótons, porque os elétrons têm uma massa menor e, portanto, um comprimento de onda de Broglie mais longo para uma determinada energia.

Os elétrons desempenham um papel essencial em inúmeros fenômenos físicos, como eletricidade, magnetismo, química e condutividade térmica, e também participam de interações gravitacionais, eletromagnéticas e fracas. Como um elétron tem carga, ele tem um campo elétrico circundante e, se esse elétron estiver se movendo em relação a um observador, esse observador o observará para gerar um campo magnético. Os campos eletromagnéticos produzidos por outras fontes afetarão o movimento de um elétron de acordo com a lei da força de Lorentz. Os elétrons irradiam ou absorvem energia na forma de fótons quando são acelerados. Instrumentos de laboratório são capazes de capturar elétrons individuais, bem como plasma de elétrons pelo uso de campos eletromagnéticos. Telescópios especiais podem detectar plasma de elétrons no espaço sideral. Os elétrons estão envolvidos em muitas aplicações, como tribologia ou carga friccional, eletrólise, eletroquímica, tecnologias de bateria, eletrônica, soldagem, tubos de raios catódicos, fotoeletricidade, painéis solares fotovoltaicos, microscópios eletrônicos, terapia de radiação, lasers, detectores de ionização gasosa e aceleradores de partículas.

As interações envolvendo elétrons com outras partículas subatômicas são de interesse em campos como a química e a física nuclear. A interação da força de Coulomb entre os prótons positivos dentro dos núcleos atômicos e os elétrons negativos fora, permite a composição dos dois conhecidos como átomos. A ionização ou diferenças nas proporções de elétrons negativos versus núcleos positivos alteram a energia de ligação de um sistema atômico. A troca ou compartilhamento de elétrons entre dois ou mais átomos é a principal causa da ligação química. Em 1838, o filósofo natural britânico Richard Laming levantou a hipótese do conceito de uma quantidade indivisível de carga elétrica para explicar as propriedades químicas dos átomos. O físico irlandês George Johnstone Stoney chamou essa carga de 'elétron' em 1891, e J. J. Thomson e sua equipe de físicos britânicos o identificaram como uma partícula em 1897 durante o experimento do tubo de raios catódicos. Os elétrons também podem participar de reações nucleares, como a nucleossíntese em estrelas, onde são conhecidos como partículas beta. Os elétrons podem ser criados através do decaimento beta de isótopos radioativos e em colisões de alta energia, por exemplo, quando os raios cósmicos entram na atmosfera. A antipartícula do elétron é chamada de pósitron; é idêntico ao elétron, exceto que carrega carga elétrica de sinal oposto. Quando um elétron colide com um pósitron, ambas as partículas podem ser aniquiladas, produzindo fótons de raios gama.

História

Descoberta do efeito da força elétrica

Os antigos gregos notaram que o âmbar atraía pequenos objetos quando esfregado com pelos. Junto com o raio, esse fenômeno é uma das primeiras experiências registradas da humanidade com eletricidade. Em seu tratado de 1600 De Magnete, o cientista inglês William Gilbert cunhou o novo termo latino electrica, para se referir àquelas substâncias com propriedades semelhantes às do âmbar que atraem objetos menores após serem friccionados. Ambos electric e electricity são derivados do latim ēlectrum (também a raiz da liga de mesmo nome), que veio da palavra grega para âmbar, ἤλεκτρον (ēlektron).

Descoberta de dois tipos de cobranças

No início dos anos 1700, o químico francês Charles François du Fay descobriu que se uma folha de ouro carregada é repelida por vidro atritado com seda, então a mesma folha de ouro carregada é atraída por âmbar atritado com lã. A partir deste e de outros resultados de tipos semelhantes de experimentos, du Fay concluiu que a eletricidade consiste em dois fluidos elétricos, o fluido vítreo do vidro atritado com seda e o fluido resinoso do âmbar friccionado com lã. Esses dois fluidos podem se neutralizar quando combinados. O cientista americano Ebenezer Kinnersley mais tarde também chegou independentemente à mesma conclusão. Uma década depois, Benjamin Franklin propôs que a eletricidade não era de diferentes tipos de fluido elétrico, mas um único fluido elétrico mostrando um excesso (+) ou déficit (-). Ele deu a eles a nomenclatura de carga moderna de positivo e negativo, respectivamente. Franklin pensou no portador de carga como sendo positivo, mas não identificou corretamente qual situação era um excesso do portador de carga e qual situação era um déficit.

Entre 1838 e 1851, o filósofo natural britânico Richard Laming desenvolveu a ideia de que um átomo é composto de um núcleo de matéria cercado por partículas subatômicas que possuem cargas elétricas unitárias. A partir de 1846, o físico alemão Wilhelm Eduard Weber teorizou que a eletricidade era composta de fluidos carregados positivamente e negativamente, e sua interação era governada pela lei do inverso do quadrado. Depois de estudar o fenômeno da eletrólise em 1874, o físico irlandês George Johnstone Stoney sugeriu que existia uma "única quantidade definida de eletricidade", a carga de um íon monovalente. Ele foi capaz de estimar o valor dessa carga elementar e por meio das leis de eletrólise de Faraday. No entanto, Stoney acreditava que essas cargas estavam permanentemente ligadas aos átomos e não podiam ser removidas. Em 1881, o físico alemão Hermann von Helmholtz argumentou que as cargas positivas e negativas foram divididas em partes elementares, cada uma das quais "se comporta como átomos de eletricidade".

Stoney inicialmente cunhou o termo elétron em 1881. Dez anos depois, ele mudou para elétron para descrever essas cargas elementares, escrevendo em 1894: "...foi feita uma estimativa da quantidade real desta notável unidade fundamental de eletricidade, para a qual me arrisquei a sugerir o nome elétron". Uma proposta de 1906 para mudar para elétrico falhou porque Hendrik Lorentz preferiu manter elétron. A palavra elétron é uma combinação das palavras electric e ion. O sufixo -on que agora é usado para designar outras partículas subatômicas, como um próton ou nêutron, é por sua vez derivado de elétron.

Descoberta de elétrons livres fora da matéria

Um feixe de elétrons desviado por um campo magnético em um círculo

Enquanto estudava a condutividade elétrica em gases rarefeitos em 1859, o físico alemão Julius Plücker observou que a radiação emitida do cátodo causava o aparecimento de luz fosforescente na parede do tubo perto do cátodo; e a região da luz fosforescente pode ser movida pela aplicação de um campo magnético. Em 1869, o aluno de Plücker, Johann Wilhelm Hittorf, descobriu que um corpo sólido colocado entre o cátodo e a fosforescência lançaria uma sombra sobre a região fosforescente do tubo. Hittorf inferiu que há raios retos emitidos do cátodo e que a fosforescência foi causada pelos raios que atingem as paredes do tubo. Em 1876, o físico alemão Eugen Goldstein mostrou que os raios eram emitidos perpendicularmente à superfície do cátodo, o que distinguia entre os raios emitidos do cátodo e a luz incandescente. Goldstein chamou os raios de raios catódicos. Décadas de pesquisa experimental e teórica envolvendo raios catódicos foram importantes para a eventual descoberta de elétrons por J. J. Thomson.

Durante a década de 1870, o químico e físico inglês Sir William Crookes desenvolveu o primeiro tubo de raios catódicos com alto vácuo interno. Ele então mostrou em 1874 que os raios catódicos podem girar uma pequena roda de pás quando colocados em seu caminho. Portanto, ele concluiu que os raios carregavam momento. Além disso, ao aplicar um campo magnético, ele conseguiu desviar os raios, demonstrando assim que o feixe se comportava como se fosse carregado negativamente. Em 1879, ele propôs que essas propriedades poderiam ser explicadas considerando os raios catódicos como compostos de moléculas gasosas carregadas negativamente em um quarto estado da matéria, no qual o livre caminho médio das partículas é tão longo que as colisões podem ser ignoradas.

O físico britânico nascido na Alemanha Arthur Schuster expandiu os experimentos de Crookes colocando placas de metal paralelas aos raios catódicos e aplicando um potencial elétrico entre as placas. O campo desviou os raios em direção à placa carregada positivamente, fornecendo mais evidências de que os raios carregavam carga negativa. Ao medir a quantidade de deflexão para um determinado nível de corrente, em 1890 Schuster foi capaz de estimar a razão carga/massa dos componentes do raio. No entanto, isso produziu um valor mais de mil vezes maior do que o esperado, de modo que pouco crédito foi dado aos seus cálculos na época. Isso ocorre porque foi assumido que os portadores de carga eram átomos de hidrogênio ou nitrogênio muito mais pesados. As estimativas de Schuster posteriormente se mostraram amplamente corretas.

Em 1892, Hendrik Lorentz sugeriu que a massa dessas partículas (elétrons) poderia ser consequência de sua carga elétrica.

J. J. Thomson

Enquanto estudava minerais naturalmente fluorescentes em 1896, o físico francês Henri Becquerel descobriu que eles emitiam radiação sem qualquer exposição a uma fonte externa de energia. Esses materiais radioativos tornaram-se objeto de muito interesse dos cientistas, incluindo o físico neozelandês Ernest Rutherford, que descobriu que eles emitiam partículas. Ele designou essas partículas alfa e beta, com base em sua capacidade de penetrar na matéria. Em 1900, Becquerel mostrou que os raios beta emitidos pelo rádio podiam ser desviados por um campo elétrico e que sua relação massa-carga era a mesma dos raios catódicos. Essa evidência fortaleceu a visão de que os elétrons existiam como componentes dos átomos.

Em 1897, o físico britânico J. J. Thomson, com seus colegas John S. Townsend e H. A. Wilson, realizaram experimentos indicando que os raios catódicos eram realmente partículas únicas, em vez de ondas, átomos ou moléculas como se acreditava anteriormente. Thomson fez boas estimativas tanto da carga e quanto da massa m, descobrindo que as partículas de raios catódicos, que ele chamou de "corpúsculos", tinham talvez um milésimo da massa do íon menos massivo conhecido: o hidrogênio. Ele mostrou que a relação carga/massa, e/m, era independente do material do cátodo. Ele mostrou ainda que as partículas carregadas negativamente produzidas por materiais radioativos, por materiais aquecidos e por materiais iluminados eram universais. O nome elétron foi adotado para essas partículas pela comunidade científica, principalmente devido à defesa de G. F. FitzGerald, J. Larmor e H. A. Lorentz. No mesmo ano, Emil Wiechert e Walter Kaufmann também calcularam a relação e/m, mas não conseguiram interpretar seus resultados, enquanto J. J. Thomson posteriormente, em 1899, forneceria estimativas para a carga e a massa do elétron: e~6.8×10 ⁻¹⁰ esu e m~3×10⁻²⁶ g

Robert Millikan

A carga do elétron foi medida com mais cuidado pelos físicos americanos Robert Millikan e Harvey Fletcher em seu experimento de gota de óleo de 1909, cujos resultados foram publicados em 1911. Este experimento usou um campo elétrico para evitar uma gota de óleo carregada caia como resultado da gravidade. Este dispositivo pode medir a carga elétrica de apenas 1 a 150 íons com uma margem de erro inferior a 0,3%. Experimentos comparáveis foram feitos anteriormente pela equipe de Thomson, usando nuvens de gotículas de água carregadas geradas por eletrólise, e em 1911 por Abram Ioffe, que obteve independentemente o mesmo resultado que Millikan usando micropartículas carregadas de metais, e então publicou seus resultados em 1913. No entanto, as gotas de óleo eram mais estáveis do que as gotas de água por causa de sua taxa de evaporação mais lenta e, portanto, mais adequadas para experimentos precisos por períodos de tempo mais longos.

Por volta do início do século XX, descobriu-se que, sob certas condições, uma partícula carregada em movimento rápido causava uma condensação de vapor de água supersaturado ao longo de seu caminho. Em 1911, Charles Wilson usou esse princípio para criar sua câmara de nuvem para que pudesse fotografar os rastros de partículas carregadas, como elétrons em movimento rápido.

Teoria atômica

O modelo Bohr do átomo, mostrando estados de um elétron com energia quantificada pelo número n. Um elétron caindo para uma órbita inferior emite um fóton igual à diferença de energia entre as órbitas.

Em 1914, experimentos dos físicos Ernest Rutherford, Henry Moseley, James Franck e Gustav Hertz estabeleceram amplamente a estrutura de um átomo como um núcleo denso de carga positiva cercado por elétrons de massa menor. Em 1913, o físico dinamarquês Niels Bohr postulou que os elétrons residiam em estados de energia quantizados, com suas energias determinadas pelo momento angular da órbita do elétron em torno do núcleo. Os elétrons poderiam se mover entre esses estados, ou órbitas, pela emissão ou absorção de fótons de frequências específicas. Por meio dessas órbitas quantizadas, ele explicou com precisão as linhas espectrais do átomo de hidrogênio. No entanto, o modelo de Bohr falhou em explicar as intensidades relativas das linhas espectrais e não conseguiu explicar os espectros de átomos mais complexos.

As ligações químicas entre átomos foram explicadas por Gilbert Newton Lewis, que em 1916 propôs que uma ligação covalente entre dois átomos é mantida por um par de elétrons compartilhados entre eles. Mais tarde, em 1927, Walter Heitler e Fritz London deram a explicação completa da formação de pares de elétrons e ligações químicas em termos de mecânica quântica. Em 1919, o químico americano Irving Langmuir elaborou o modelo estático do átomo de Lewis e sugeriu que todos os elétrons eram distribuídos em sucessivas "conchas (quase) esféricas concêntricas, todas de igual espessura". Por sua vez, ele dividiu as camadas em várias células, cada uma contendo um par de elétrons. Com este modelo, Langmuir foi capaz de explicar qualitativamente as propriedades químicas de todos os elementos da tabela periódica, que eram conhecidos por se repetirem amplamente de acordo com a lei periódica.

Em 1924, o físico austríaco Wolfgang Pauli observou que a estrutura em forma de concha do átomo poderia ser explicada por um conjunto de quatro parâmetros que definiam cada estado de energia quântica, desde que cada estado fosse ocupado por não mais do que um único elétron. Essa proibição de mais de um elétron ocupando o mesmo estado de energia quântica ficou conhecida como princípio de exclusão de Pauli. O mecanismo físico para explicar o quarto parâmetro, que tinha dois valores distintos possíveis, foi fornecido pelos físicos holandeses Samuel Goudsmit e George Uhlenbeck. Em 1925, eles sugeriram que um elétron, além do momento angular de sua órbita, possui um momento angular intrínseco e um momento de dipolo magnético. Isso é análogo à rotação da Terra em seu eixo enquanto orbita o Sol. O momento angular intrínseco tornou-se conhecido como spin e explicou a divisão anteriormente misteriosa de linhas espectrais observadas com um espectrógrafo de alta resolução; esse fenômeno é conhecido como divisão de estrutura fina.

Mecânica quântica

Em sua dissertação de 1924 Recherches sur la théorie des quanta (Pesquisa sobre Teoria Quântica), o físico francês Louis de Broglie levantou a hipótese de que toda a matéria pode ser representada como uma onda de Broglie na forma de luz. Isto é, sob condições apropriadas, elétrons e outras matérias mostrariam propriedades de partículas ou ondas. As propriedades corpusculares de uma partícula são demonstradas quando se mostra que ela tem uma posição localizada no espaço ao longo de sua trajetória em um determinado momento. A natureza ondulatória da luz é exibida, por exemplo, quando um feixe de luz passa por fendas paralelas, criando assim padrões de interferência. Em 1927, George Paget Thomson descobriu que o efeito de interferência era produzido quando um feixe de elétrons passava por finas folhas de metal e pelos físicos americanos Clinton Davisson e Lester Germer pela reflexão de elétrons de um cristal de níquel.

Na mecânica quântica, o comportamento de um elétron em um átomo é descrito por um orbital, que é uma distribuição de probabilidade em vez de uma órbita. Na figura, a sombreamento indica a probabilidade relativa de "encontrar" o elétron, tendo a energia correspondente aos números quânticos dados, nesse ponto.

A previsão de De Broglie de uma natureza ondulatória para elétrons levou Erwin Schrödinger a postular uma equação de onda para elétrons movendo-se sob a influência do núcleo no átomo. Em 1926, esta equação, a equação de Schrödinger, descreveu com sucesso como as ondas de elétrons se propagavam. Em vez de fornecer uma solução que determinasse a localização de um elétron ao longo do tempo, essa equação de onda também poderia ser usada para prever a probabilidade de encontrar um elétron próximo a uma posição, especialmente uma posição próxima de onde o elétron estava limitado no espaço, para o qual o elétron equações de onda não mudaram com o tempo. Essa abordagem levou a uma segunda formulação da mecânica quântica (a primeira por Heisenberg em 1925), e as soluções da equação de Schrödinger, como a de Heisenberg, forneceram derivações dos estados de energia de um elétron em um átomo de hidrogênio que eram equivalentes aos que haviam sido derivados primeiro por Bohr em 1913, e que eram conhecidos por reproduzir o espectro do hidrogênio. Uma vez que o spin e a interação entre múltiplos elétrons foram descritíveis, a mecânica quântica tornou possível prever a configuração de elétrons em átomos com números atômicos maiores que o hidrogênio.

Em 1928, com base no trabalho de Wolfgang Pauli, Paul Dirac produziu um modelo do elétron - a equação de Dirac, consistente com a teoria da relatividade, aplicando considerações relativísticas e de simetria à formulação hamiltoniana da mecânica quântica do campo eletromagnetico. Para resolver alguns problemas dentro de sua equação relativística, Dirac desenvolveu em 1930 um modelo do vácuo como um mar infinito de partículas com energia negativa, mais tarde apelidado de mar de Dirac. Isso o levou a prever a existência de um pósitron, a contraparte de antimatéria do elétron. Essa partícula foi descoberta em 1932 por Carl Anderson, que propôs chamar os elétrons padrão de negatrons e usar elétron como um termo genérico para descrever as variantes com carga positiva e negativa.

Em 1947, Willis Lamb, trabalhando em colaboração com o aluno de pós-graduação Robert Retherford, descobriu que certos estados quânticos do átomo de hidrogênio, que deveriam ter a mesma energia, eram deslocados um em relação ao outro; a diferença passou a ser chamada de Lamb shift. Mais ou menos na mesma época, Polykarp Kusch, trabalhando com Henry M. Foley, descobriu que o momento magnético do elétron é ligeiramente maior do que o previsto pela teoria de Dirac. Essa pequena diferença foi posteriormente chamada de momento de dipolo magnético anômalo do elétron. Essa diferença foi posteriormente explicada pela teoria da eletrodinâmica quântica, desenvolvida por Sin-Itiro Tomonaga, Julian Schwinger e Richard Feynman no final dos anos 1940.

Aceleradores de partículas

Com o desenvolvimento do acelerador de partículas durante a primeira metade do século XX, os físicos começaram a se aprofundar nas propriedades das partículas subatômicas. A primeira tentativa bem-sucedida de acelerar elétrons usando indução eletromagnética foi feita em 1942 por Donald Kerst. Seu betatron inicial atingiu energias de 2,3 MeV, enquanto os betatrons subsequentes atingiram 300 MeV. Em 1947, a radiação síncrotron foi descoberta com um síncrotron eletrônico de 70 MeV na General Electric. Essa radiação foi causada pela aceleração dos elétrons através de um campo magnético enquanto eles se moviam perto da velocidade da luz.

Com uma energia de feixe de 1,5 GeV, a primeira O colisor de partículas foi o ADONE, que iniciou suas operações em 1968. Esse dispositivo acelerou elétrons e pósitrons em direções opostas, dobrando efetivamente a energia de sua colisão em comparação com a colisão de um alvo estático com um elétron. O Large Electron-Positron Collider (LEP) no CERN, que funcionou de 1989 a 2000, alcançou energias de colisão de 209 GeV e fez medições importantes para o Modelo Padrão da física de partículas.

Confinamento de elétrons individuais

Elétrons individuais agora podem ser facilmente confinados em ultra pequenos (L = 20 nm, W = 20 nm) Transistores CMOS operados em temperatura criogênica em uma faixa de -269 °C (4 K) a cerca de -258 °C (15 K). A função de onda do elétron se espalha em uma rede semicondutora e interage desprezivelmente com os elétrons da banda de valência, portanto pode ser tratada no formalismo de partícula única, substituindo sua massa pelo tensor de massa efetiva.

Características

Classificação

Modelo padrão de partículas elementares. O elétron (símbolo e) está à esquerda.

No Modelo Padrão da física de partículas, os elétrons pertencem ao grupo de partículas subatômicas chamadas léptons, que se acredita serem partículas fundamentais ou elementares. Os elétrons têm a massa mais baixa de qualquer lépton carregado (ou partícula eletricamente carregada de qualquer tipo) e pertencem à primeira geração de partículas fundamentais. A segunda e a terceira geração contêm léptons carregados, o múon e o tau, que são idênticos ao elétron responsável pela carga, spin e interações, mas são mais massivos. Os léptons diferem do outro constituinte básico da matéria, os quarks, por sua falta de interação forte. Todos os membros do grupo leptônico são férmions, porque todos eles têm um spin inteiro meio ímpar; o elétron tem spin 1/2.

Propriedades fundamentais

A massa invariante de um elétron é de aproximadamente 9,109×10−31 quilogramas, ou 5,489×10⁻⁴ unidades de massa atômica. Devido à equivalência massa-energia, isso corresponde a uma energia de repouso de 0,511 MeV. A razão entre a massa de um próton e a de um elétron é de cerca de 1836. Medições astronômicas mostram que a razão de massa próton-elétron manteve o mesmo valor, conforme previsto pelo Modelo Padrão, por pelo menos metade da idade de o universo.

Os elétrons têm uma carga elétrica de −1,602 176634× 10⁻¹⁹ coulombs, que é usada como unidade padrão de carga para partículas subatômicas e também é chamada de carga elementar. Dentro dos limites da precisão experimental, a carga do elétron é idêntica à carga de um próton, mas com o sinal oposto. Como o símbolo e é usado para a carga elementar, o elétron é comumente simbolizado por
e^-
, onde o sinal de menos indica a carga negativa. O pósitron é simbolizado por
e⁺
porque tem o mesmas propriedades do elétron, mas com uma carga positiva em vez de negativa.

O elétron tem um momento angular intrínseco ou spin de 1 /2. Essa propriedade geralmente é declarada referindo-se ao elétron como uma partícula de spin 1/2. Para tais partículas, a magnitude do spin é ħ/2, enquanto o resultado da medição de uma projeção do spin em qualquer eixo só pode ser ± ħ/2. Além do spin, o elétron tem um momento magnético intrínseco ao longo de seu eixo de spin. É aproximadamente igual a um magneton de Bohr, que é uma constante física igual a 9.27400915(23)×10⁻²⁴ joules por tesla. A orientação do spin em relação ao momento do elétron define a propriedade das partículas elementares conhecida como helicidade.

O elétron não tem subestrutura conhecida. No entanto, na física da matéria condensada, a separação spin-carga pode ocorrer em alguns materiais. Nesses casos, os elétrons 'dividem' em três partículas independentes, o spinon, o orbiton e o hólon (ou chargon). O elétron sempre pode ser considerado teoricamente como um estado ligado dos três, com o spinon carregando o spin do elétron, o orbiton carregando o grau de liberdade orbital e o chargon carregando a carga, mas em certas condições eles podem se comportar como quasipartículas independentes.

A questão do raio do elétron é um problema desafiador da física teórica moderna. A admissão da hipótese de um raio finito do elétron é incompatível com as premissas da teoria da relatividade. Por outro lado, um elétron pontual (raio zero) gera sérias dificuldades matemáticas devido à auto-energia do elétron tendendo ao infinito. A observação de um único elétron em uma armadilha de Penning sugere que o limite superior do raio da partícula é de 10⁻²² metros. O limite superior do raio do elétron de 10⁻¹⁸ metros pode ser derivado usando a relação de incerteza na energia. Há existe também uma constante física chamada "raio clássico do elétron", com o valor muito maior de 2.8179×10⁻¹⁵ m, maior que o raio do próton. No entanto, a terminologia vem de um cálculo simplista que ignora os efeitos da mecânica quântica; na realidade, o chamado raio clássico do elétron tem pouco a ver com a verdadeira estrutura fundamental do elétron.

Existem partículas elementares que decaem espontaneamente em partículas menos massivas. Um exemplo é o múon, com um tempo de vida médio de 2,2×10⁻⁶ segundos, que decai em um elétron, um neutrino de múon e um antineutrino de elétron. O elétron, por outro lado, é considerado estável em termos teóricos: o elétron é a partícula menos massiva com carga elétrica diferente de zero, então seu decaimento violaria a conservação de carga. O limite inferior experimental para o tempo de vida médio do elétron é 6,6×10²⁸ anos, com nível de confiança de 90%.

Propriedades quânticas

Assim como todas as partículas, os elétrons podem agir como ondas. Isso é chamado de dualidade onda-partícula e pode ser demonstrado usando o experimento da dupla fenda.

A natureza ondulatória do elétron permite que ele passe por duas fendas paralelas simultaneamente, em vez de apenas uma fenda, como seria o caso de uma partícula clássica. Na mecânica quântica, a propriedade ondulatória de uma partícula pode ser descrita matematicamente como uma função de valor complexo, a função de onda, comumente denotada pela letra grega psi (ψ). Quando o valor absoluto dessa função é elevado ao quadrado, ele fornece a probabilidade de que uma partícula seja observada perto de um local - uma densidade de probabilidade.

Exemplo de uma função de onda antissimétrica para um estado quântico de dois fermions idênticos em uma caixa 1-dimensional. Se as partículas trocarem posição, a função de onda inverte seu sinal.

Os elétrons são partículas idênticas porque não podem ser distinguidos uns dos outros por suas propriedades físicas intrínsecas. Na mecânica quântica, isso significa que um par de elétrons em interação deve ser capaz de trocar de posição sem uma mudança observável no estado do sistema. A função de onda dos férmions, incluindo os elétrons, é antissimétrica, o que significa que muda de sinal quando dois elétrons são trocados; ou seja, ψ(r₁, r₂) = −ψ(r₂, r₁), onde as variáveis r₁ e r₂ correspondem ao primeiro e segundo elétrons, respectivamente. Como o valor absoluto não é alterado por uma troca de sinal, isso corresponde a probabilidades iguais. Os bósons, como o fóton, têm funções de onda simétricas.

No caso de antissimetria, as soluções da equação de onda para elétrons em interação resultam em uma probabilidade zero de que cada par ocupe o mesmo local ou estado. Isso é responsável pelo princípio de exclusão de Pauli, que impede que quaisquer dois elétrons ocupem o mesmo estado quântico. Este princípio explica muitas das propriedades dos elétrons. Por exemplo, faz com que grupos de elétrons ligados ocupem orbitais diferentes em um átomo, em vez de todos se sobreporem na mesma órbita.

Partículas virtuais

Em uma imagem simplificada, que muitas vezes tende a dar uma ideia errada, mas pode servir para ilustrar alguns aspectos, cada fóton passa algum tempo como uma combinação de um elétron virtual mais sua antipartícula, o pósitron virtual, que se aniquilam rapidamente. Depois disso. A combinação da variação de energia necessária para criar essas partículas e o tempo durante o qual elas existem caem abaixo do limite de detectabilidade expresso pela relação de incerteza de Heisenberg, ΔE · Δt ≥ ħ. Com efeito, a energia necessária para criar essas partículas virtuais, ΔE, pode ser "emprestada" do vácuo por um período de tempo, Δt, de modo que seu produto não seja maior que a constante de Planck reduzida, ħ ≈ 6.6×10⁻¹⁶ eV·s. Assim, para um elétron virtual, Δt é no máximo 1,3×10⁻²¹ s.

Uma representação esquemática de pares de elétrons-positrons virtuais aparecendo ao acaso perto de um elétron (à esquerda inferior)

Enquanto existe um par virtual elétron-pósitron, a força de Coulomb do campo elétrico ambiente ao redor de um elétron faz com que um pósitron criado seja atraído pelo elétron original, enquanto um elétron criado experimenta uma repulsão. Isso causa o que é chamado de polarização a vácuo. Com efeito, o vácuo se comporta como um meio tendo uma permissividade dielétrica maior que a unidade. Assim, a carga efetiva de um elétron é realmente menor que seu valor real, e a carga diminui com o aumento da distância do elétron. Esta polarização foi confirmada experimentalmente em 1997 usando o acelerador de partículas japonês TRISTAN. Partículas virtuais causam um efeito de blindagem comparável para a massa do elétron.

A interação com partículas virtuais também explica o pequeno desvio (cerca de 0,1%) do momento magnético intrínseco do elétron do magneton de Bohr (o momento magnético anômalo). A concordância extraordinariamente precisa dessa diferença prevista com o valor determinado experimentalmente é vista como uma das grandes conquistas da eletrodinâmica quântica.

O aparente paradoxo na física clássica de um elétron de partícula pontual com momento angular intrínseco e momento magnético pode ser explicado pela formação de fótons virtuais no campo elétrico gerado pelo elétron. Esses fótons podem ser pensados heuristicamente como fazendo com que o elétron se desloque de maneira instável (conhecido como zitterbewegung), o que resulta em um movimento circular líquido com precessão. Esse movimento produz o spin e o momento magnético do elétron. Nos átomos, essa criação de fótons virtuais explica o deslocamento de Lamb observado nas linhas espectrais. O comprimento de onda Compton mostra que perto de partículas elementares como o elétron, a incerteza da energia permite a criação de partículas virtuais perto do elétron. Este comprimento de onda explica a "estática" de partículas virtuais em torno de partículas elementares a uma distância próxima.

Interação

Um elétron gera um campo elétrico que exerce uma força atrativa sobre uma partícula com carga positiva, como o próton, e uma força repulsiva sobre uma partícula com carga negativa. A intensidade dessa força na aproximação não relativística é determinada pela lei do inverso do quadrado de Coulomb. Quando um elétron está em movimento, ele gera um campo magnético. A lei de Ampère-Maxwell relaciona o campo magnético ao movimento de massa dos elétrons (a corrente) em relação a um observador. Essa propriedade da indução fornece o campo magnético que aciona um motor elétrico. O campo eletromagnético de uma partícula carregada em movimento arbitrário é expresso pelos potenciais de Liénard-Wiechert, que são válidos mesmo quando a velocidade da partícula é próxima à da luz (relativística).

Uma partícula com carga q (à esquerda) está se movendo com velocidade v através de um campo magnético B que é orientado para o espectador. Para um elétron, q é negativo, então segue uma trajetória curva em direção ao topo.

Quando um elétron se move através de um campo magnético, ele está sujeito à força de Lorentz que atua perpendicularmente ao plano definido pelo campo magnético e pela velocidade do elétron. Essa força centrípeta faz com que o elétron siga uma trajetória helicoidal através do campo em um raio chamado raio do giro. A aceleração desse movimento curvo induz o elétron a irradiar energia na forma de radiação síncrotron. A emissão de energia, por sua vez, causa um recuo do elétron, conhecido como Força Abraham-Lorentz-Dirac, que cria um atrito que desacelera o elétron. Essa força é causada por uma reação inversa do próprio campo do elétron sobre si mesmo.

Aqui, Bremsstrahlung é produzido por um elétron e desviado pelo campo elétrico de um núcleo atômico. A mudança de energia E₂- Sim.E₁ determina a frequência f do fóton emitido.

Os fótons medeiam interações eletromagnéticas entre partículas na eletrodinâmica quântica. Um elétron isolado a uma velocidade constante não pode emitir ou absorver um fóton real; fazer isso violaria a conservação da energia e do momento. Em vez disso, os fótons virtuais podem transferir momento entre duas partículas carregadas. Essa troca de fótons virtuais, por exemplo, gera a força de Coulomb. A emissão de energia pode ocorrer quando um elétron em movimento é desviado por uma partícula carregada, como um próton. A desaceleração do elétron resulta na emissão da radiação Bremsstrahlung.

Uma colisão inelástica entre um fóton (luz) e um elétron solitário (livre) é chamada de espalhamento Compton. Essa colisão resulta em uma transferência de momento e energia entre as partículas, o que modifica o comprimento de onda do fóton em uma quantidade chamada deslocamento de Compton. A magnitude máxima dessa mudança de comprimento de onda é h/m_ec, que é conhecida como comprimento de onda Compton. Para um elétron, ele tem um valor de 2,43×10⁻¹² m. Quando o comprimento de onda da luz é longo (por exemplo, o comprimento de onda da luz visível é de 0,4 a 0,7 μm), o deslocamento do comprimento de onda torna-se insignificante. Essa interação entre a luz e os elétrons livres é chamada de espalhamento de Thomson ou espalhamento de Thomson linear.

A força relativa da interação eletromagnética entre duas partículas carregadas, como um elétron e um próton, é dada pela constante de estrutura fina. Este valor é uma quantidade adimensional formada pela razão de duas energias: a energia eletrostática de atração (ou repulsão) na separação de um comprimento de onda Compton e a energia restante da carga. É dado por α ≈ 7,297353×10⁻³, que é aproximadamente igual a 1/137.

Quando elétrons e pósitrons colidem, eles se aniquilam, dando origem a dois ou mais fótons de raios gama. Se o elétron e o pósitron tiverem momento desprezível, um átomo de positrônio pode se formar antes que a aniquilação resulte em dois ou três fótons de raios gama totalizando 1,022 MeV. Por outro lado, um fóton de alta energia pode se transformar em um elétron e um pósitron por um processo chamado produção de pares, mas apenas na presença de uma partícula carregada próxima, como um núcleo.

Na teoria da interação eletrofraca, o componente esquerdo da função de onda do elétron forma um fraco par de isospin com o neutrino do elétron. Isso significa que, durante interações fracas, os neutrinos de elétrons se comportam como elétrons. Qualquer membro deste dupleto pode sofrer uma interação de corrente carregada emitindo ou absorvendo um W e ser convertido no outro membro. A carga é conservada durante esta reação porque o bóson W também carrega uma carga, cancelando qualquer alteração líquida durante a transmutação. As interações de correntes carregadas são responsáveis pelo fenômeno de decaimento beta em um átomo radioativo. Tanto o elétron quanto o neutrino do elétron podem passar por uma interação de corrente neutra por meio de uma troca Z0, e isso é responsável pelo espalhamento elástico neutrino-elétron.

Átomos e moléculas

Densidades de probabilidade para os primeiros poucos átomos de hidrogênio orbitais, vistos na seção transversal. O nível de energia de um elétron ligado determina a órbita que ocupa, e a cor reflete a probabilidade de encontrar o elétron em uma determinada posição.

Um elétron pode ser ligado ao núcleo de um átomo pela força atrativa de Coulomb. Um sistema de um ou mais elétrons ligados a um núcleo é chamado de átomo. Se o número de elétrons for diferente da carga elétrica do núcleo, tal átomo é chamado de íon. O comportamento ondulatório de um elétron ligado é descrito por uma função chamada orbital atômico. Cada orbital tem seu próprio conjunto de números quânticos, como energia, momento angular e projeção do momento angular, e apenas um conjunto discreto desses orbitais existe ao redor do núcleo. De acordo com o princípio de exclusão de Pauli, cada orbital pode ser ocupado por até dois elétrons, que devem diferir em seu número quântico de spin.

Os elétrons podem se transferir entre diferentes orbitais pela emissão ou absorção de fótons com uma energia que corresponda à diferença de potencial. Outros métodos de transferência orbital incluem colisões com partículas, como elétrons, e o efeito Auger. Para escapar do átomo, a energia do elétron deve ser aumentada acima de sua energia de ligação ao átomo. Isso ocorre, por exemplo, com o efeito fotoelétrico, onde um fóton incidente que excede a energia de ionização do átomo é absorvido pelo elétron.

O momento angular orbital dos elétrons é quantizado. Como o elétron é carregado, ele produz um momento magnético orbital que é proporcional ao momento angular. O momento magnético líquido de um átomo é igual à soma vetorial dos momentos magnéticos orbital e de spin de todos os elétrons e do núcleo. O momento magnético do núcleo é desprezível em comparação com o dos elétrons. Os momentos magnéticos dos elétrons que ocupam o mesmo orbital (os chamados elétrons emparelhados) se anulam.

A ligação química entre os átomos ocorre como resultado de interações eletromagnéticas, conforme descrito pelas leis da mecânica quântica. As ligações mais fortes são formadas pelo compartilhamento ou transferência de elétrons entre átomos, permitindo a formação de moléculas. Dentro de uma molécula, os elétrons se movem sob a influência de vários núcleos e ocupam orbitais moleculares; tanto quanto podem ocupar orbitais atômicos em átomos isolados. Um fator fundamental nessas estruturas moleculares é a existência de pares de elétrons. Estes são elétrons com spins opostos, permitindo que ocupem o mesmo orbital molecular sem violar o princípio de exclusão de Pauli (muito parecido com os átomos). Orbitais moleculares diferentes têm distribuição espacial diferente da densidade eletrônica. Por exemplo, em pares ligados (ou seja, nos pares que realmente ligam os átomos) os elétrons podem ser encontrados com a probabilidade máxima em um volume relativamente pequeno entre os núcleos. Em contraste, em pares não ligados, os elétrons são distribuídos em um grande volume ao redor dos núcleos.

Condutividade

Uma descarga atmosférica consiste principalmente em um fluxo de elétrons. O potencial elétrico necessário para o relâmpago pode ser gerado por um efeito triboelétrico.

Se um corpo tem mais ou menos elétrons do que o necessário para equilibrar a carga positiva dos núcleos, então esse objeto tem uma carga elétrica líquida. Quando há um excesso de elétrons, diz-se que o objeto está carregado negativamente. Quando há menos elétrons do que o número de prótons nos núcleos, diz-se que o objeto está carregado positivamente. Quando o número de elétrons e o número de prótons são iguais, suas cargas se cancelam e o objeto é dito eletricamente neutro. Um corpo macroscópico pode desenvolver uma carga elétrica por fricção, pelo efeito triboelétrico.

Elétrons independentes movendo-se no vácuo são chamados de elétrons livres. Os elétrons nos metais também se comportam como se fossem livres. Na realidade, as partículas que são comumente chamadas de elétrons em metais e outros sólidos são quase-elétrons - quase-partículas, que têm a mesma carga elétrica, spin e momento magnético que os elétrons reais, mas podem ter uma massa diferente. Quando os elétrons livres – tanto no vácuo quanto nos metais – se movem, eles produzem um fluxo líquido de carga chamado corrente elétrica, que gera um campo magnético. Da mesma forma, uma corrente pode ser criada por um campo magnético variável. Essas interações são descritas matematicamente pelas equações de Maxwell.

A uma determinada temperatura, cada material tem uma condutividade elétrica que determina o valor da corrente elétrica quando um potencial elétrico é aplicado. Exemplos de bons condutores incluem metais como cobre e ouro, enquanto o vidro e o teflon são maus condutores. Em qualquer material dielétrico, os elétrons permanecem ligados aos seus respectivos átomos e o material se comporta como um isolante. A maioria dos semicondutores tem um nível variável de condutividade que fica entre os extremos de condução e isolamento. Por outro lado, os metais possuem uma estrutura de banda eletrônica contendo bandas eletrônicas parcialmente preenchidas. A presença de tais bandas permite que os elétrons nos metais se comportem como se fossem elétrons livres ou deslocalizados. Esses elétrons não estão associados a átomos específicos; portanto, quando um campo elétrico é aplicado, eles ficam livres para se mover como um gás (chamado gás de Fermi) através do material, como elétrons livres.

Por causa das colisões entre elétrons e átomos, a velocidade de deriva dos elétrons em um condutor é da ordem de milímetros por segundo. No entanto, a velocidade na qual uma mudança de corrente em um ponto do material causa mudanças nas correntes em outras partes do material, a velocidade de propagação, é tipicamente cerca de 75% da velocidade da luz. Isso ocorre porque os sinais elétricos se propagam como uma onda, com a velocidade dependente da constante dielétrica do material.

Os metais são relativamente bons condutores de calor, principalmente porque os elétrons deslocalizados são livres para transportar energia térmica entre os átomos. No entanto, ao contrário da condutividade elétrica, a condutividade térmica de um metal é quase independente da temperatura. Isso é expresso matematicamente pela lei de Wiedemann-Franz, que afirma que a razão entre a condutividade térmica e a condutividade elétrica é proporcional à temperatura. A desordem térmica na rede metálica aumenta a resistividade elétrica do material, produzindo uma dependência da temperatura para a corrente elétrica.

Quando resfriados abaixo de um ponto chamado de temperatura crítica, os materiais podem passar por uma transição de fase na qual perdem toda a resistividade à corrente elétrica, em um processo conhecido como supercondutividade. Na teoria BCS, pares de elétrons chamados pares de Cooper têm seu movimento acoplado à matéria próxima por meio de vibrações de rede chamadas fônons, evitando assim as colisões com átomos que normalmente criam resistência elétrica. (Os pares de Cooper têm um raio de aproximadamente 100 nm, então eles podem se sobrepor.) No entanto, o mecanismo pelo qual os supercondutores de temperatura mais alta operam permanece incerto.

Elétrons dentro de sólidos condutores, que são quase-partículas, quando fortemente confinados a temperaturas próximas ao zero absoluto, se comportam como se tivessem se dividido em três outras quasipartículas: spinons, orbitons e hólons. O primeiro carrega o spin e o momento magnético, o próximo carrega sua localização orbital enquanto o último carrega a carga elétrica.

Movimento e energia

De acordo com a teoria da relatividade especial de Einstein, à medida que a velocidade de um elétron se aproxima da velocidade da luz, do ponto de vista de um observador, sua massa relativística aumenta, tornando-o cada vez mais difícil acelerá-lo de dentro do quadro de referência do observador. A velocidade de um elétron pode se aproximar, mas nunca atingir, a velocidade da luz no vácuo, c. No entanto, quando elétrons relativísticos - ou seja, elétrons se movendo a uma velocidade próxima a c - são injetados em um meio dielétrico como a água, onde a velocidade local da luz é significativamente menor que c, os elétrons viajam temporariamente mais rápido que a luz no meio. À medida que interagem com o meio, geram uma luz fraca chamada radiação Cherenkov.

O fator Lorentz como uma função de velocidade. Começa no valor 1 e vai para o infinito como v abordagens c.

Os efeitos da relatividade especial são baseados em uma quantidade conhecida como fator Lorentz, definida como γ γ = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =1/1- Sim. - Sim. v2/c2{displaystyle scriptstyle gamma = / / {1-{v^{2}}/{c^{2}}}}}}} Onde? v é a velocidade da partícula. A energia cinética KK_e de um elétron que se move com velocidade v é:

KKe= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =(γ γ - Sim. - Sim. 1)mec2,{displaystyle displaystyle K_{mathrm {e} }=(gamma -1)m_{mathrm {e} }c^{2},}

onde m_e é a massa do elétron. Por exemplo, o acelerador linear de Stanford pode acelerar um elétron para aproximadamente 51 GeV. Como um elétron se comporta como uma onda, a uma determinada velocidade ele tem um comprimento de onda de Broglie característico. Isso é dado por λ_e = h/p onde h é o Planck constante e p é o momento. Para o elétron de 51 GeV acima, o comprimento de onda é de cerca de 2,4×10⁻¹⁷ m, pequeno o suficiente para explorar estruturas bem abaixo do tamanho de um núcleo atômico.

Formação

Produção de pares de elétrons e positrões, causada pela aproximação próxima de um fóton com um núcleo atômico. O símbolo do relâmpago representa uma troca de um fóton virtual, assim uma força elétrica atua. O ângulo entre as partículas é muito pequeno.

A teoria do Big Bang é a teoria científica mais amplamente aceita para explicar os estágios iniciais da evolução do Universo. No primeiro milissegundo do Big Bang, as temperaturas ultrapassaram 10 bilhões de kelvins e os fótons tinham energias médias superiores a um milhão de elétron-volts. Esses fótons eram suficientemente energéticos para poderem reagir uns com os outros para formar pares de elétrons e pósitrons. Da mesma forma, pares de pósitrons-elétrons se aniquilaram e emitiram fótons energéticos:

γ +
γ
↔ E... +
e^{- Sim.}

Um equilíbrio entre elétrons, pósitrons e fótons foi mantido durante esta fase da evolução do Universo. Após 15 segundos, no entanto, a temperatura do universo caiu abaixo do limiar onde a formação de elétron-pósitron poderia ocorrer. A maioria dos elétrons e pósitrons sobreviventes se aniquilaram, liberando radiação gama que reaqueceu brevemente o universo.

Por razões que permanecem incertas, durante o processo de aniquilação houve um excesso no número de partículas em relação às antipartículas. Assim, cerca de um elétron para cada bilhão de pares elétron-pósitron sobreviveu. Esse excesso correspondia ao excesso de prótons sobre antiprótons, em uma condição conhecida como assimetria bariônica, resultando em uma carga líquida de zero para o universo. Os prótons e nêutrons sobreviventes começaram a participar de reações uns com os outros – no processo conhecido como nucleossíntese, formando isótopos de hidrogênio e hélio, com vestígios de lítio. Este processo atingiu o pico após cerca de cinco minutos. Quaisquer nêutrons restantes sofreram decaimento beta negativo com uma meia-vida de cerca de mil segundos, liberando um próton e um elétron no processo,

n → p +
e^{- Sim.}
+ Processo

Para os próximos 300000–400000 anos, o excesso de elétrons permaneceu muito energético para se ligar aos núcleos atômicos. O que se seguiu é um período conhecido como recombinação, quando átomos neutros foram formados e o universo em expansão tornou-se transparente à radiação.

Aproximadamente um milhão de anos após o big bang, a primeira geração de estrelas começou a se formar. Dentro de uma estrela, a nucleossíntese estelar resulta na produção de pósitrons a partir da fusão de núcleos atômicos. Essas partículas de antimatéria se aniquilam imediatamente com os elétrons, liberando raios gama. O resultado líquido é uma redução constante no número de elétrons e um aumento correspondente no número de nêutrons. No entanto, o processo de evolução estelar pode resultar na síntese de isótopos radioativos. Os isótopos selecionados podem subsequentemente sofrer decaimento beta negativo, emitindo um elétron e um antineutrino do núcleo. Um exemplo é o isótopo cobalto-60 (⁶⁰Co), que decai para formar o níquel-60 (⁶⁰
Ni
).

Um chuveiro de ar estendido gerado por um raio cósmico energético que atinge a atmosfera da Terra

No final de sua vida, uma estrela com mais de 20 massas solares pode sofrer um colapso gravitacional para formar um buraco negro. De acordo com a física clássica, esses objetos estelares maciços exercem uma atração gravitacional forte o suficiente para impedir que qualquer coisa, mesmo a radiação eletromagnética, escape além do raio de Schwarzschild. No entanto, acredita-se que os efeitos da mecânica quântica permitem potencialmente a emissão de radiação Hawking a essa distância. Acredita-se que os elétrons (e pósitrons) sejam criados no horizonte de eventos desses remanescentes estelares.

Quando um par de partículas virtuais (como um elétron e um pósitron) é criado nas proximidades do horizonte de eventos, o posicionamento espacial aleatório pode resultar no aparecimento de uma delas no exterior; esse processo é chamado de tunelamento quântico. O potencial gravitacional do buraco negro pode então fornecer a energia que transforma essa partícula virtual em uma partícula real, permitindo que ela irradie para o espaço. Em troca, o outro membro do par recebe energia negativa, o que resulta em uma perda líquida de massa-energia pelo buraco negro. A taxa de radiação de Hawking aumenta com a diminuição da massa, eventualmente fazendo com que o buraco negro evapore até que, finalmente, ele exploda.

Os raios cósmicos são partículas que viajam pelo espaço com altas energias. Eventos de energia tão altos quanto 3,0×10²⁰ eV foram registrados. Quando essas partículas colidem com núcleons na atmosfera da Terra, uma chuva de partículas é gerada, incluindo píons. Mais da metade da radiação cósmica observada da superfície da Terra consiste em múons. A partícula chamada múon é um lépton produzido na atmosfera superior pelo decaimento de um píon.

π. → μ− + Proc?

Um múon, por sua vez, pode decair para formar um elétron ou pósitron.

μ^{- Sim.}
→
e^{- Sim.}
+ Processo + Proc?

Observação

Aurorae são principalmente causados por elétrons energéticos precipitando-se na atmosfera.

A observação remota de elétrons requer a detecção de sua energia irradiada. Por exemplo, em ambientes de alta energia, como a coroa de uma estrela, os elétrons livres formam um plasma que irradia energia devido à radiação Bremsstrahlung. O gás de elétrons pode sofrer oscilação de plasma, que são ondas causadas por variações sincronizadas na densidade de elétrons, e estas produzem emissões de energia que podem ser detectadas por meio de radiotelescópios.

A frequência de um fóton é proporcional à sua energia. À medida que um elétron ligado transita entre diferentes níveis de energia de um átomo, ele absorve ou emite fótons em frequências características. Por exemplo, quando os átomos são irradiados por uma fonte com amplo espectro, linhas escuras distintas aparecem no espectro da radiação transmitida em locais onde a frequência correspondente é absorvida pelos elétrons do átomo. Cada elemento ou molécula exibe um conjunto característico de linhas espectrais, como a série espectral do hidrogênio. Quando detectadas, as medições espectroscópicas da força e largura dessas linhas permitem que a composição e as propriedades físicas de uma substância sejam determinadas.

Em condições de laboratório, as interações de elétrons individuais podem ser observadas por meio de detectores de partículas, que permitem a medição de propriedades específicas, como energia, spin e carga. O desenvolvimento da armadilha de Paul e da armadilha de Penning permite que partículas carregadas sejam contidas em uma pequena região por longos períodos. Isso permite medições precisas das propriedades das partículas. Por exemplo, em um caso, uma armadilha de Penning foi usada para conter um único elétron por um período de 10 meses. O momento magnético do elétron foi medido com uma precisão de onze dígitos, o que, em 1980, era uma precisão maior do que qualquer outra constante física.

As primeiras imagens de vídeo da distribuição de energia de um elétron foram capturadas por uma equipe da Universidade de Lund, na Suécia, em fevereiro de 2008. Os cientistas usaram flashes de luz extremamente curtos, chamados de pulsos de attossegundos, que permitiram que um elétron se movimentasse. s movimento a ser observado pela primeira vez.

A distribuição dos elétrons em materiais sólidos pode ser visualizada por espectroscopia de fotoemissão com resolução de ângulo (ARPES). Essa técnica emprega o efeito fotoelétrico para medir o espaço recíproco – uma representação matemática de estruturas periódicas que é usada para inferir a estrutura original. ARPES pode ser usado para determinar a direção, velocidade e dispersão de elétrons dentro do material.

Aplicativos de plasma

Feixes de partículas

Durante um teste de túnel de vento da NASA, um modelo do ônibus espacial é direcionado por um feixe de elétrons, simulando o efeito dos gases ionizantes durante a reentrada.

Os feixes de elétrons são usados na soldagem. Eles permitem densidades de energia de até 10⁷ W·cm⁻² em um diâmetro de foco estreito de 0,1–1,3 mm e geralmente não requer material de preenchimento. Essa técnica de soldagem deve ser realizada no vácuo para evitar que os elétrons interajam com o gás antes de atingir seu alvo, e pode ser usada para unir materiais condutores que de outra forma seriam considerados impróprios para soldagem.

A litografia de feixe de elétrons (EBL) é um método de gravar semicondutores em resoluções menores que um micrômetro. Essa técnica é limitada por altos custos, desempenho lento, necessidade de operar o feixe no vácuo e tendência dos elétrons se espalharem em sólidos. O último problema limita a resolução a cerca de 10 nm. Por esta razão, o EBL é usado principalmente para a produção de pequenos números de circuitos integrados especializados.

O processamento de feixe de elétrons é usado para irradiar materiais para alterar suas propriedades físicas ou esterilizar produtos médicos e alimentícios. Os feixes de elétrons fluidizam ou quase derretem os vidros sem aumento significativo de temperatura na irradiação intensiva: e. a radiação intensa de elétrons causa uma diminuição de muitas ordens de magnitude da viscosidade e uma diminuição gradual de sua energia de ativação.

Os aceleradores de partículas lineares geram feixes de elétrons para tratamento de tumores superficiais em radioterapia. A eletroterapia pode tratar lesões cutâneas como carcinomas basocelulares porque um feixe de elétrons penetra apenas em uma profundidade limitada antes de ser absorvido, normalmente até 5 cm para energias de elétrons na faixa de 5 a 20 MeV. Um feixe de elétrons pode ser usado para complementar o tratamento de áreas que foram irradiadas por raios-X.

Os aceleradores de partículas usam campos elétricos para impulsionar elétrons e suas antipartículas para altas energias. Essas partículas emitem radiação síncrotron à medida que passam por campos magnéticos. A dependência da intensidade dessa radiação sobre o spin polariza o feixe de elétrons - um processo conhecido como efeito Sokolov-Ternov. Feixes de elétrons polarizados podem ser úteis para vários experimentos. A radiação síncrotron também pode resfriar os feixes de elétrons para reduzir a propagação do momento das partículas. Feixes de elétrons e pósitrons colidem sobre a superfície das partículas. acelerando para as energias necessárias; detectores de partículas observam as emissões de energia resultantes, que a física de partículas estuda.

Imagiologia

A difração de elétrons de baixa energia (LEED) é um método de bombardear um material cristalino com um feixe colimado de elétrons e, em seguida, observar os padrões de difração resultantes para determinar a estrutura do material. A energia necessária dos elétrons está tipicamente na faixa de 20 a 200 eV. A técnica de reflexão de difração de elétrons de alta energia (RHEED) usa a reflexão de um feixe de elétrons disparados em vários ângulos baixos para caracterizar a superfície de materiais cristalinos. A energia do feixe está tipicamente na faixa de 8 a 20 keV e o ângulo de incidência é de 1 a 4°.

O microscópio eletrônico direciona um feixe focalizado de elétrons para uma amostra. Alguns elétrons mudam suas propriedades, como direção do movimento, ângulo, fase relativa e energia conforme o feixe interage com o material. Os microscopistas podem registrar essas mudanças no feixe de elétrons para produzir imagens atomicamente resolvidas do material. Na luz azul, os microscópios ópticos convencionais têm uma resolução limitada por difração de cerca de 200 nm. Em comparação, os microscópios eletrônicos são limitados pelo comprimento de onda de Broglie do elétron. Esse comprimento de onda, por exemplo, é igual a 0,0037 nm para elétrons acelerados em um potencial de 100.000 volts. O Microscópio Corrigido por Aberração Eletrônica de Transmissão é capaz de resolução abaixo de 0,05 nm, o que é mais do que suficiente para resolver átomos individuais. Esta capacidade torna o microscópio eletrônico um instrumento de laboratório útil para imagens de alta resolução. No entanto, os microscópios eletrônicos são instrumentos caros e de manutenção dispendiosa.

Existem dois tipos principais de microscópios eletrônicos: transmissão e varredura. Os microscópios eletrônicos de transmissão funcionam como retroprojetores, com um feixe de elétrons passando por uma fatia de material e sendo projetado por lentes em um slide fotográfico ou em um dispositivo de carga acoplada. Os microscópios eletrônicos de varredura rasteriam um feixe de elétrons finamente focalizado, como em um aparelho de TV, através da amostra estudada para produzir a imagem. As ampliações variam de 100× a 1.000.000× ou mais para ambos os tipos de microscópio. O microscópio de tunelamento de varredura usa tunelamento quântico de elétrons de uma ponta de metal afiada no material estudado e pode produzir imagens atomicamente resolvidas de sua superfície.

Outras aplicações

No laser de elétrons livres (FEL), um feixe de elétrons relativístico passa por um par de onduladores que contêm matrizes de ímãs dipolo cujos campos apontam em direções alternadas. Os elétrons emitem radiação síncrotron que interage coerentemente com os mesmos elétrons para amplificar fortemente o campo de radiação na frequência de ressonância. O FEL pode emitir uma radiação eletromagnética coerente de alto brilho com uma ampla gama de frequências, desde micro-ondas até raios-X suaves. Esses dispositivos são usados na fabricação, comunicação e em aplicações médicas, como cirurgia de tecidos moles.

Os elétrons são importantes nos tubos de raios catódicos, que têm sido extensivamente usados como dispositivos de exibição em instrumentos de laboratório, monitores de computador e aparelhos de televisão. Em um tubo fotomultiplicador, cada fóton que atinge o fotocátodo inicia uma avalanche de elétrons que produz um pulso de corrente detectável. Os tubos de vácuo usam o fluxo de elétrons para manipular sinais elétricos e desempenharam um papel crítico no desenvolvimento da tecnologia eletrônica. No entanto, eles foram amplamente suplantados por dispositivos de estado sólido, como o transistor.