Электрон (физич.)

Электрон (символ е-, e), первая элементарная частица, открытая в физике; материальный носитель наименьшей массы и наименьшего электрического заряда в природе. Э. ‒ составная часть атомов; их число в нейтральном атоме равно атомному номеру, т. е. числу протонов в ядре.

Современные значения заряда (e) и массы (me) Э. равны:

e = ‒ 4,803242(14)×10-10 ед. СГСЭ = ‒ 1,6021892(46)×10-19 кулон,

me = 0,9109534(47)×10-27 г = 0,5110034(14) Мэв/с2,

где с ‒ скорость света в вакууме (в скобках после числовых значений величин указаны средние квадратичные ошибки в последних значащих цифрах). Спин Э. равен 1/2 (в единицах Планка постоянной ), и, следовательно, Э. подчиняются Ферми ‒ Дирака статистике. Магнитный момент Э. ‒ m = 1,0011596567(35) m0, где m0 ‒ магнетон Бора. Э. ‒ стабильная частица и относится к классу лептонов.

Установление существования Э. было подготовлено трудами многих выдающихся исследователей; в 1897 Э. был открыт Дж. Дж. Томсоном. Название «Э.» [первоначально предложенное английским учёным Дж. Стони (1891) для заряда одновалентного иона] происходит от греческого слова élektron, что означает янтарь. Электрический заряд Э. условились считать отрицательным в соответствии с более ранним соглашением называть отрицательным заряд наэлектризованного янтаря (см. Электрический заряд). Античастица Э. ‒ позитрон (e+) открыта в 1932.

Э. участвует в электромагнитных, слабых и гравитационных взаимодействиях и проявляет многообразие свойств в зависимости от типа взаимодействий. В классической электродинамике Э. ведёт себя как частица, движение которой подчиняется Лоренца ‒ Максвелла уравнениям. Понятие «размер Э.» не удаётся сформулировать непротиворечиво, хотя величину r0 = е2/тес2~10-13 см принято называть классическим радиусом Э. Причину этих затруднений удалось понять в рамках квантовой механики. Согласно гипотезе де Бройля (1924), Э. (как и все другие материальные микрообъекты) обладает не только корпускулярными, но и волновыми свойствами (см. Корпускулярно-волновой дуализм, Волны де Бройля). Де-бройлевская длина волны Э. равна , где u ‒ скорость движения Э. В соответствии с этим Э., подобно свету, могут испытывать интерференцию и дифракцию. Волновые свойства Э. были экспериментально обнаружены в 1927 американскими физиками К. Дэвиссоном и Л. Джермером и независимо английским физиком Дж. П. Томсоном (см. Дифракция частиц).

Движение Э. подчиняется уравнениям квантовой механики: Шрёдингера уравнению для нерелятивистских явлений и Дирака уравнению ‒ для релятивистских. Опираясь на эти уравнения, можно показать, что все оптические, электрические, магнитные, химические и механические свойства веществ объясняются особенностями движения Э. в атомах. Наличие спина существенным образом влияет на характер движения Э. в атоме. В частности, только учёт спина Э. в рамках квантовой механики позволил объяснить периодическую систему элементов Д. И. Менделеева, а также природу химической связи атомов в молекулах.

Э. ‒ член единого обширного семейства элементарных частиц, и ему в полной мере присуще одно из основных свойств элементарных частиц ‒ их взаимопревращаемость. Э. может рождаться в различных реакциях, самыми известными из которых являются распад отрицательно заряженного мюона (m-) на электрон, электронное антинейтрино () и мюонное нейтрино (nm):

,

а также бета-распад нейтрона на протон, электрон и электронное антинейтрино:

.

Последняя реакция является источником b-лучей при радиоактивном распаде ядер. Оба процесса ‒ частные случаи слабых взаимодействий. Примером электромагнитных процессов, в происходят превращения Э., может служить аннигиляция электрона и позитрона на два g-кванта

e- + e+ ® 2g.

С 60-х гг. интенсивно изучаются процессы рождения сильно взаимодействующих частиц (адронов) при столкновении электронов с позитронами, например рождение пары пи-мезонов:

e- + е+ ® p- + p+.

В конце 1974 в аналогичной реакции открыта новая элементарная частица, т. н. J//y-частица (см. Резонансы, Элементарные частицы).

Релятивистская квантовая теория Э. (квантовая электродинамика) ‒ самая разработанная область квантовой теории поля, в которой достигнуто удивительное согласие с экспериментом. Так, вычисленное значение магнитного момента Э.

(где a » 1/137,036 ‒ тонкой структуры постоянная) с огромной точностью совпадает с его экспериментальным значением. Однако теорию Э. нельзя считать законченной, поскольку ей присущи внутренние логические противоречия (см. Квантовая теория поля).

Лит.: Милликен P., Электроны (+ и ‒), протоны, фотоны, нейтроны и космические лучи, пер. с англ., М. ‒ Л., 1939; Андерсон Д., Открытие электрона, пер. с англ., М., 1968; Томсон Г. П., Семидесятилетний электрон, пер. с англ., «Успехи физических наук», 1968, т. 94, в. 2.

Л. И. Пономарев.