Articulo de referencia

Electrón

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El electrón ( e , o β En las reacciones nucleares, la partícula subatómica tiene una carga eléctrica de -1 carga elemental . Es una partícula elemental que constituye la materia ordinaria del universo.

Todos los átomos están compuestos de electrones, protones y neutrones, pero los electrones tienen casi 2000 veces menos masa que los otros dos constituyentes. En los átomos, la onda de materia de un electrón ocupa orbitales atómicos alrededor de un núcleo atómico con carga positiva . La configuración y los niveles de energía de los electrones de un átomo determinan sus propiedades químicas . Los electrones están ligados al núcleo en diferentes grados. Los electrones más externos o de valencia son los menos fuertemente ligados y son responsables de la formación de enlaces químicos entre átomos para crear moléculas y cristales . Estos electrones de valencia también facilitan todo tipo de reacciones químicas al ser transferidos o compartidos entre átomos. Las capas electrónicas internas forman el núcleo atómico .

El concepto de electrones explica numerosos fenómenos físicos . En los metales , los electrones más externos están deslocalizados y pueden moverse libremente, lo que explica su alta conductividad eléctrica y térmica . En los semiconductores , el número de portadores de carga móviles (electrones y huecos ) se puede ajustar con precisión mediante el dopaje , la temperatura, el voltaje y la radiación, lo que constituye la base de la electrónica moderna .

Los electrones pueden existir como partículas libres . Como haces de partículas en el vacío , los electrones libres pueden acelerarse , enfocarse y utilizarse en aplicaciones como tubos de rayos catódicos , microscopios electrónicos , soldadura por haz de electrones , litografía y aceleradores de partículas que generan radiación sincrotrón .

Caracterización

Los electrones pertenecen a la primera generación de la familia de partículas leptónicas , [ 13 ] partículas elementales que no interactúan con la fuerza nuclear fuerte. Generalmente se piensa que los electrones son partículas elementales porque no tienen componentes o subestructura conocidos. [ 1 ] La masa de un electrón es aproximadamente 1 / 1836 la de un protón . [ 14 ] Las propiedades mecánicas cuánticas del electrón incluyen un momento angular intrínseco ( espín ) de la mitad de la constante de Planck reducida , es decir ħ / 2 . Al ser fermiones , no hay dos electrones que puedan ocupar el mismo estado cuántico , según el principio de exclusión de Pauli . [ 13 ] Como todas las partículas elementales, los electrones exhiben propiedades tanto de partículas como de ondas . Por ejemplo, los electrones pueden colisionar como partículas con otras partículas y también pueden difractarse como ondas de luz. Las propiedades ondulatorias de los electrones son más fáciles de observar experimentalmente que las de otras partículas como los neutrones y los protones, porque los electrones tienen una masa menor y, por lo tanto, una longitud de onda de De Broglie mayor para una energía dada.

El concepto de electrones es esencial para explicar fenómenos físicos como la electricidad , el magnetismo , la química y la conductividad térmica ; están sujetos a las fuerzas de la gravedad , el electromagnetismo y la interacción débil . [ 15 ] Dado que un electrón tiene carga, posee un campo eléctrico circundante ; si ese electrón se mueve con respecto a un observador, este observará que genera un campo magnético . Los campos electromagnéticos producidos por otras fuentes afectarán el movimiento de un electrón según la ley de la fuerza de Lorentz . Los electrones irradian o absorben energía en forma de fotones cuando son acelerados.

Los instrumentos de laboratorio son capaces de atrapar electrones individuales, así como plasma electrónico, mediante el uso de campos electromagnéticos. Telescopios especiales pueden detectar plasma electrónico en el espacio exterior. Los electrones intervienen en numerosas aplicaciones, como la tribología o carga por fricción, la electrólisis, la electroquímica, las tecnologías de baterías, la electrónica , la soldadura , los tubos de rayos catódicos , la fotoelectricidad, los paneles solares fotovoltaicos, los microscopios electrónicos , la radioterapia , los láseres , los detectores de ionización gaseosa y los aceleradores de partículas .

Las interacciones que involucran electrones con otras partículas subatómicas son de interés en campos como la química y la física nuclear . Los átomos están compuestos por protones positivos dentro de los núcleos atómicos y electrones negativos fuera de ellos, unidos por la interacción de la fuerza de Coulomb . El estado de ionización (diferencias en las proporciones de electrones negativos frente a núcleos positivos) o el compartimiento de electrones entre dos o más átomos son las principales causas del enlace químico . [ 16 ]

Los electrones participan en reacciones nucleares , como la nucleosíntesis en las estrellas , donde se les conoce como partículas beta . Los electrones pueden crearse 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 idéntica al electrón, excepto que tiene carga eléctrica de signo opuesto. Cuando un electrón colisiona con un positrón , ambas partículas pueden aniquilarse , produciendo fotones de rayos gamma .

Historia

Descubrimiento del efecto de la fuerza eléctrica

Los antiguos griegos notaron que el ámbar atraía objetos pequeños al frotarlo con piel. Junto con los relámpagos , este fenómeno es una de las primeras experiencias registradas de la humanidad con la electricidad . [ 17 ] En su tratado De Magnete de 1600 , el científico inglés William Gilbert acuñó el término neolatino electrica , para referirse a aquellas sustancias con propiedades similares a las del ámbar que atraen objetos pequeños después de ser frotadas. [ 18 ] Tanto eléctrico como electricidad derivan del latín ēlectrum (también la raíz de la aleación del mismo nombre ), que proviene de la palabra griega para ámbar, ἤλεκτρον ( ēlektron ).

Descubrimiento de dos tipos de cargas

A principios del siglo XVIII, el químico francés Charles François du Fay descubrió que si una lámina de oro cargada es repelida por vidrio frotado con seda, entonces la misma lámina de oro cargada es atraída por ámbar frotado con lana. A partir de este y otros resultados de experimentos similares, du Fay concluyó que la electricidad consiste en dos fluidos eléctricos : un fluido vítreo proveniente del vidrio frotado con seda y un fluido resinoso proveniente del ámbar frotado con lana. Estos dos fluidos pueden neutralizarse entre sí al combinarse. [ 18 ] [ 19 ] El científico estadounidense Ebenezer Kinnersley llegó posteriormente de forma independiente a la misma conclusión. [ 20 ] : 118 Una década más tarde, Benjamin Franklin propuso que la electricidad no provenía de diferentes tipos de fluido eléctrico, sino de un único fluido eléctrico que mostraba un exceso (+) o un déficit (−). Les dio la nomenclatura moderna de carga positiva y negativa, respectivamente. [ 21 ] Franklin pensó que el portador de carga era positivo, pero no identificó correctamente qué situación era un superávit del portador de carga y qué situación era un déficit. [ 22 ]

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 tenían cargas eléctricas unitarias . [ 2 ] A partir de 1846, el físico alemán Wilhelm Eduard Weber teorizó que la electricidad estaba compuesta de fluidos cargados positiva y negativamente, y que su interacción estaba regida por la ley del inverso del cuadrado . 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 mediante las leyes de electrólisis de Faraday . [ 23 ] Sin embargo, Stoney creía que estas cargas estaban permanentemente unidas 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 electrón en 1881. Diez años después, 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 tan notable, para la cual desde entonces me he atrevido a sugerir el nombre electrón ". Una propuesta de 1906 para cambiar a electrón fracasó porque Hendrik Lorentz prefirió mantener electrón . [ 24 ] [ 25 ] La palabra electrón es una combinación de las palabras eléctrico e ión . [ 26 ] El sufijo -ón que ahora se usa para designar otras partículas subatómicas, como un protón o un neutrón, a su vez deriva de electrón. [ 27 ] [ 28 ]

Descubrimiento de electrones libres fuera de la materia

Un tubo de vacío de vidrio redondo con un haz circular brillante en su interior.
Un haz de electrones desviado por un campo magnético formando un círculo [ 29 ]

En 1859, mientras estudiaba la conductividad eléctrica en gases enrarecidos , el físico alemán Julius Plücker observó que la radiación emitida por el cátodo provocaba la aparición de luz fosforescente en la pared del tubo cerca del cátodo; y que la región de la luz fosforescente podía desplazarse mediante la aplicación de un campo magnético. [ 30 ] En 1869, Johann Wilhelm Hittorf, alumno de Plücker, descubrió que un cuerpo sólido colocado entre el cátodo y la fosforescencia proyectaba una sombra sobre la región fosforescente del tubo. Hittorf dedujo que se emitían rayos rectos desde el cátodo y que la fosforescencia era causada por estos rayos al incidir sobre las paredes del tubo. Además, descubrió que estos rayos se desviaban por la acción de los imanes, al igual que las líneas de corriente. [ 31 ]

En 1876, el físico alemán Eugen Goldstein demostró que los rayos se emitían perpendicularmente a la superficie del cátodo, lo que permitió distinguir entre los rayos emitidos por el cátodo y la luz incandescente. Goldstein denominó a estos rayos rayos catódicos . [ 32 ] [ 33 ] : 393 Décadas de investigación experimental y teórica sobre los rayos catódicos fueron importantes para el eventual descubrimiento de los electrones por parte de J.J. Thomson . [ 3 ] Goldstein también experimentó con cátodos dobles e hipotetizó que un rayo podría repeler a otro, aunque no creía que pudieran estar involucradas partículas. [ 34 ]

Durante la década de 1870, el químico y físico inglés Sir William Crookes desarrolló el primer tubo de rayos catódicos con alto vacío interno. [ 35 ] En 1874, demostró que los rayos catódicos podían hacer girar una pequeña rueda de paletas al colocarla en su trayectoria. Por lo tanto, concluyó que los rayos transportaban momento. Además, al aplicar un campo magnético, logró desviar los rayos, demostrando así que el haz se comportaba como si estuviera cargado negativamente. [ 32 ] En 1879, propuso que estas propiedades podían explicarse considerando que los rayos catódicos estaban compuestos de moléculas gaseosas cargadas negativamente en un cuarto estado de la materia , en el que el camino libre medio de las partículas es tan largo que las colisiones pueden ignorarse. [ 33 ] : 394–395

En 1883, el aún poco conocido físico alemán Heinrich Hertz intentó demostrar que los rayos catódicos son eléctricamente neutros y obtuvo lo que interpretó como una clara ausencia de desviación en el campo electrostático, a diferencia del magnético. Sin embargo, como explicó J.J. Thomson en 1897, Hertz colocó los electrodos deflectores en una zona altamente conductora del tubo, lo que produjo un fuerte efecto de apantallamiento cerca de su superficie. [ 34 ]

El físico británico de origen alemán Arthur Schuster amplió los experimentos de Crookes colocando placas metálicas paralelas a los rayos catódicos y aplicando un potencial eléctrico entre ellas. [ 36 ] El campo desvió los rayos hacia la placa cargada positivamente, lo que proporcionó más evidencia de que los rayos llevaban carga negativa. Midiendo la cantidad de desviación para un campo eléctrico y magnético dado , en 1890 Schuster pudo estimar la relación carga-masa [ c ] de los componentes del rayo. Sin embargo, esto produjo un valor que era más de mil veces mayor de lo esperado, por lo que sus cálculos recibieron poca credibilidad en ese momento. [ 32 ] Esto se debe a que se asumió que los portadores de carga eran átomos de hidrógeno o nitrógeno mucho más pesados . [ 36 ] Posteriormente, las estimaciones de Schuster resultaron ser en gran medida correctas.

En 1892, Hendrik Lorentz sugirió que la masa de estas partículas (electrones) podría ser consecuencia de su carga eléctrica. [ 37 ]

JJ Thomson

Mientras estudiaba minerales fluorescentes naturales en 1896, el físico francés Henri Becquerel descubrió que emitían radiación sin exposición a ninguna fuente de energía externa. Estos materiales radiactivos se convirtieron en objeto de gran interés para los científicos, incluido el físico neozelandés Ernest Rutherford, quien descubrió que emitían partículas. Él designó a estas partículas como alfa y beta , basándose en su capacidad de penetrar la materia. [ 38 ] 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. [ 39 ] Esta evidencia reforzó la idea de que los electrones existían como componentes de los átomos. [ 40 ] [ 41 ]

En 1897, el físico británico JJ Thomson , junto 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 ] Para 1899 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 ] [ 42 ] Thomson midió m / e para los "corpúsculos" de rayos catódicos y realizó buenas estimaciones de la carga e , lo que llevó a un valor para la masa m , encontrando un valor 1400 veces menos masivo que el ion menos masivo conocido: el hidrógeno. [ 33 ] : 364 [ 5 ] En el mismo año, Emil Wiechert y Walter Kaufmann también calcularon la relación e / m pero no dieron el paso de interpretar sus resultados como mostrando una nueva partícula, mientras que JJ Thomson posteriormente en 1899 daría estimaciones para la carga y la masa del electrón también: e  6,8 × 10 −10 ues  y m  3 × 10 −26  g . [ 43 ] [ 44 ]

Robert Millikan

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 . [ 45 ] : 273 El término fue acuñado originalmente por George Johnstone Stoney en 1891 como un nombre tentativo para la unidad básica de carga eléctrica (que entonces aún no se había descubierto). [ 46 ] [ 25 ]

La carga del electrón fue medida con mayor precisión por los físicos estadounidenses Robert Millikan y Harvey Fletcher en su experimento de la gota de aceite de 1909, cuyos resultados se publicaron en 1911. Este experimento utilizó un campo eléctrico para impedir que una gota de aceite cargada cayera por efecto de la gravedad. Este dispositivo podía medir la carga eléctrica de tan solo 1 a 150 iones con un margen de error inferior al 0,3 %. Experimentos similares habían sido realizados anteriormente por el equipo de Thomson, [ 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 metálicas cargadas, y publicó sus resultados en 1913. [ 47 ] Sin embargo, las gotas de aceite eran más estables que las de agua debido a su menor tasa de evaporación, y por lo tanto más adecuadas para la experimentación precisa durante períodos de tiempo más prolongados. [ 48 ]

Hacia principios del siglo XX, se descubrió que, bajo ciertas condiciones, una partícula cargada de alta velocidad provocaba la condensación de vapor de agua sobresaturado a lo largo de su trayectoria. En 1911, Charles Wilson utilizó este principio para diseñar su cámara de niebla, con el fin de fotografiar las trayectorias de partículas cargadas, como electrones de alta velocidad. [ 49 ]

Teoría atómica

Tres círculos concéntricos alrededor de un núcleo, con un electrón moviéndose del segundo al primer círculo y liberando un fotón.
El modelo atómico de Bohr muestra los estados de un electrón con energía cuantizada por el número n . Un electrón que cae a una órbita inferior emite un fotón igual a la diferencia de energía entre las órbitas.

Para 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 de electrones de menor masa. [ 50 ] En 1913, el físico danés Niels Bohr postuló que los electrones residían en estados de energía cuantizados, cuyas energías estaban determinadas por el momento angular de la órbita del electrón alrededor del núcleo. Los electrones podían moverse entre esos estados, u órbitas, mediante la emisión o absorción de fotones de frecuencias específicas. Mediante estas órbitas cuantizadas, explicó con precisión las líneas espectrales del átomo de hidrógeno. [ 51 ] Sin embargo, el modelo de Bohr no logró explicar las intensidades relativas de las líneas espectrales y no tuvo éxito en explicar los espectros de átomos más complejos. [ 50 ]

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. [ 52 ] Posteriormente, en 1927, Walter Heitler y Fritz London dieron la explicación completa de la formación de pares de electrones y el enlace químico en términos de mecánica cuántica . [ 53 ] En 1919, el químico estadounidense Irving Langmuir desarrolló el modelo estático del átomo de Lewis y sugirió que todos los electrones se distribuían en sucesivas "capas concéntricas (casi) esféricas, todas de igual espesor". [ 54 ] 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, [ 53 ] que se sabía que se repetían en gran medida según la ley periódica . [ 55 ]

En 1924, el físico austriaco 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 electrón. Esta prohibición de que más de un electrón ocupara el mismo estado de energía cuántica se conoció como el principio de exclusión de Pauli . [ 56 ] 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 y un momento dipolar magnético . [ 50 ] [ 57 ] Esto es análogo a la rotación de la Tierra sobre su eje mientras orbita alrededor del 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 de la estructura fina . [ 58 ]

Mecánica cuántica

En su disertación de 1924, Recherches sur la théorie des quanta (Investigación sobre la teoría cuántica), el físico francés Louis de Broglie hipotetizó que toda la materia puede representarse como una onda de De Broglie a la manera de la luz . [ 59 ] Es decir, bajo las condiciones apropiadas, los electrones y otra materia 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 cualquier momento dado. [ 60 ] La naturaleza ondulatoria de la luz se muestra, por ejemplo, cuando un haz de luz pasa a través de rendijas paralelas creando así patrones de interferencia . En 1927, George Paget Thomson y Alexander Reid descubrieron que el efecto de interferencia se producía cuando un haz de electrones pasaba a través de láminas delgadas de celuloide y, posteriormente, de películas metálicas, y por los físicos estadounidenses Clinton Davisson y Lester Germer mediante la reflexión de electrones de un cristal de níquel . [ 61 ] Alexander Reid, quien era estudiante de posgrado de Thomson, realizó los primeros experimentos, pero murió poco después en un accidente de motocicleta [ 62 ] y rara vez se le menciona.

Una nube azul de simetría esférica cuya intensidad disminuye desde el centro hacia afuera.
En mecánica cuántica, el comportamiento de un electrón en un átomo se describe mediante un orbital , que es una función de onda en lugar de una órbita. En la figura, el sombreado indica la probabilidad relativa de "encontrar" el electrón, con la energía correspondiente a los números cuánticos dados , en ese punto.

La predicción de De Broglie sobre la naturaleza ondulatoria de los electrones llevó a Erwin Schrödinger a postular una ecuación de onda para los electrones que se mueven bajo la influencia del núcleo en el átomo. En 1926, esta ecuación, la ecuación de Schrödinger , describió con éxito cómo se propagaban las ondas electrónicas. [ 63 ] En lugar de proporcionar una solución que determinara la ubicación de un electrón a lo largo del tiempo, esta ecuación de onda también podía usarse para predecir la probabilidad de encontrar un electrón cerca de una posición, especialmente una posición cercana a donde el electrón estaba ligado en el espacio, para la cual las ecuaciones de onda electrónicas no cambiaban en el tiempo. Este enfoque condujo a una segunda formulación de la mecánica cuántica (la primera por Heisenberg en 1925), y las soluciones de la ecuación de Schrödinger, como las de Heisenberg, proporcionaron derivaciones de los estados de energía de un electrón en un átomo de hidrógeno que eran equivalentes a las que había derivado por primera vez Bohr en 1913, y que se sabía que reproducían el espectro del hidrógeno. [ 64 ] Una vez que se pudo describir el espín y la interacción entre múltiples electrones, la mecánica cuántica hizo posible predecir la configuración de los electrones en átomos con números atómicos mayores que el hidrógeno. [ 65 ]

En 1928, basándose en el trabajo de Wolfgang Pauli, Paul Dirac elaboró ​​un modelo del electrón  —la ecuación de Dirac— , consistente con la teoría de la relatividad , al aplicar consideraciones relativistas y de simetría a la formulación hamiltoniana de la mecánica cuántica del campo electromagnético. [ 66 ] 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, posteriormente denominado mar de Dirac . Esto lo llevó a predecir la existencia de un positrón, la contraparte de antimateria del electrón. [ 67 ] Esta partícula fue descubierta en 1932 por Carl Anderson , quien propuso llamar a los electrones estándar negatrones y usar electrón como término genérico para describir tanto las variantes con carga positiva como negativa. [ 68 ]

En 1947, Willis Lamb , en colaboración con el estudiante de posgrado Robert Retherford , descubrió que ciertos estados cuánticos del átomo de hidrógeno, que deberían tener la misma energía, estaban desplazados entre sí; esta diferencia se denominó desplazamiento de Lamb . Casi al mismo tiempo, Polykarp Kusch , trabajando con Henry M. Foley , descubrió que el momento magnético del electrón es ligeramente mayor que el predicho por la teoría de Dirac. Esta pequeña diferencia se denominó posteriormente 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. [ 69 ]

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 . [ 70 ] El primer intento exitoso de acelerar electrones mediante inducción electromagnética fue realizado en 1942 por Donald Kerst . Su betatrón inicial alcanzó energías de 2,3  MeV, mientras que los betatrones posteriores alcanzaron los 300  MeV. En 1947, se descubrió la radiación sincrotrón  con un sincrotrón de electrones de 70 MeV en General Electric . Esta radiación fue causada por la aceleración de electrones a través de un campo magnético mientras se movían cerca de la velocidad de la luz. [ 71 ]

Con una energía de haz de 1,5 GeV, el primer colisionador  de partículas de alta energía fue ADONE , que comenzó a operar en 1968. [ 72 ] Este dispositivo aceleraba electrones y positrones en direcciones opuestas, duplicando efectivamente la energía de su colisión en comparación con el impacto de un electrón sobre un blanco estático. [ 73 ] El Gran Colisionador de Electrones y Positrones (LEP) del CERN , que estuvo operativo de 1989 a 2000, alcanzó energías de colisión de 209 GeV y realizó mediciones importantes para el Modelo Estándar de la física de partículas. [ 74 ] [ 75 ] 

Confinamiento de electrones individuales

Ahora es posible confinar fácilmente electrones individuales en transistores CMOS ultrapequeños ( L = 20 nm , W = 20 nm ) que operan a temperatura criogénica en un rango de aproximadamente 4 K (−269 °C) a 15 K (−258 °C). [ 76 ] La función de onda del electrón se propaga en una red semiconductora e interactúa de manera insignificante con los electrones de la banda de valencia, por lo que puede tratarse en el formalismo de partícula única, reemplazando su masa con el tensor de masa efectiva .    

Clasificación

Una tabla con cuatro filas y cuatro columnas, donde cada celda contiene un identificador de partícula.
Modelo estándar de partículas elementales. El electrón (símbolo e) está a la izquierda.

En el Modelo Estándar de la física de partículas, los electrones pertenecen al grupo de partículas subatómicas llamadas leptones , que se consideran partículas fundamentales o elementales . Los electrones tienen la menor masa de cualquier leptón cargado (o partícula con carga eléctrica de cualquier tipo) y pertenecen a la primera generación de partículas fundamentales. [ 77 ] La segunda y tercera generación contienen leptones cargados, el muón y el tau , que son idénticos al electrón en carga, espín e 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 un espín entero impar; el electrón tiene un espín ħ / 2. [ 78 ]

Propiedades fundamentales

Masa

La masa invariante de un electrón es aproximadamente9,109 × 10 −31  kg , [ 6 ] o5,486 × 10 −4  Da . Debido a la equivalencia masa-energía , esto corresponde a una energía en reposo de8,19 × 10 −14  J (0,511  MeV ). La relación entre la masa de un protón y la de un electrón es de aproximadamente 1836. [ 14 ] [ 79 ] Las mediciones astronómicas muestran que la relación de masas protón-electrón ha mantenido el mismo valor, como predice el Modelo Estándar, durante al menos la mitad de la edad del universo . [ 80 ]

Cargar

Los electrones tienen una carga eléctrica de−1,602 176 634 × 10 −19 C  , [ 81 ] que se utiliza como unidad estándar de carga para partículas subatómicas, y también se denomina carga elemental . Dentro de los límites de la precisión experimental, la carga del electrón es idéntica a la carga de un protón, pero con signo opuesto. [ 82 ]

El electrón se simboliza comúnmente con la letra e para indicar su carga negativa (la antipartícula de un electrón, el positrón, se simboliza con e +para indicar su carga idéntica pero positiva). [ 78 ] [ 81 ]

Momento angular

El electrón tiene un momento angular intrínseco o espín de ħ / 2 . [ 81 ] Esta propiedad se suele expresar refiriéndose al electrón como una partícula de espín 1/2 . [ 78 ] Para tales partículas, la magnitud del espín es ħ / 2 , [ 83 ] mientras que el resultado de la medición de una proyección del espín sobre cualquier eje solo puede ser ± ħ / 2 . Además del espín, el electrón tiene un momento magnético intrínseco a lo largo de su eje de espín. [ 81 ] Es aproximadamente igual a un magnetón de Bohr , [ 84 ] [ d ] que es una constante física igual a9,274 010 0657 (29) × 10 −24  J⋅T −1 . [ 85 ] La orientación del espín con respecto al momento del electrón define la propiedad de las partículas elementales conocida como helicidad . [ 86 ]

Estructura

El electrón no tiene una subestructura conocida . [ 1 ] [ 87 ] Sin embargo, en la física de la materia condensada , la separación espín-carga puede ocurrir en algunos materiales. En tales casos, los electrones se "dividen" en tres partículas independientes: el espinón , el orbitón y el holón (o chargón). El electrón siempre puede considerarse teóricamente como un estado ligado de los tres, donde el espinón porta el espín del electrón, el orbitón porta el grado de libertad orbital y el chargón porta la carga, pero en ciertas condiciones pueden comportarse como cuasipartículas independientes . [ 88 ] [ 89 ] [ 90 ]

Tamaño

La dispersión electrón-electrón no muestra desviación de la ley de Coulomb : experimentalmente, el electrón no tiene estructura y es puntual. [ 91 ] : 70 La observación de un solo electrón en una trampa de Penning sugiere que el límite superior del radio de la partícula es10 −22  m . [ 92 ] El límite superior del radio del electrón de10 −18  m [ 93 ] se puede derivar utilizando la relación de incertidumbre en energía.

Los conceptos teóricos del tamaño del electrón son ambiguos. En mecánica cuántica relativista, la ecuación de Dirac trata al electrón como una carga puntual, pero la forma equivalente de Newton-Wigner no lo hace. [ 94 ] En teoría cuántica de campos, los tratamientos matemáticos de la autoenergía implican un límite de distancia mínima o energía equivalente. Distancias más cortas (altas energías) implican añadir más términos. [ 95 ] : 9

Los intentos de crear modelos no cuánticos y no puntuales conducen a contradicciones. Por ejemplo, un electrón que gira mecánicamente con el radio clásico del electrón y la relación giromagnética observada del electrón tendría una velocidad tangencial que excede la velocidad de la luz . [ 13 ] El radio clásico del electrón, con el valor mucho mayor de2,8179 × 10 −15  m (mayor que el radio del protón), se utiliza como una constante física pero no es una medida de la estructura fundamental del electrón. [ 91 ]

Vida

Dentro del Modelo Estándar de la física de partículas, el electrón se considera estable. [ 96 ] El electrón es la partícula conocida menos masiva con carga eléctrica distinta de cero: suponiendo la conservación de la energía , su desintegración violaría la conservación de la carga . [ 97 ] [ 98 ] Muchos esfuerzos experimentales han buscado fallas del Modelo Estándar y de la conservación de la carga buscando la desintegración del electrón. El límite inferior experimental para la vida media del electrón es6,6 × 10 28 años, con un nivel de confianza del 90 % . [ 99 ] [ 100 ] [ 101 ]

Propiedades cuánticas

Al igual que todas las partículas, los electrones pueden comportarse como ondas. Esto se conoce como la dualidad onda-partícula y puede demostrarse mediante el experimento de la doble rendija .

La naturaleza ondulatoria del electrón le permite atravesar dos rendijas paralelas simultáneamente, en lugar de una sola, como ocurriría con una partícula clásica. En mecánica cuántica, la propiedad ondulatoria de una partícula se puede describir matemáticamente como una función compleja , la función de onda , comúnmente denotada por la letra griega psi ( ψ ). Al elevar al cuadrado el valor absoluto de esta función , se obtiene la probabilidad de que una partícula se observe cerca de una ubicación: una densidad de probabilidad . [ 102 ] : 162–218

Proyección tridimensional de un gráfico bidimensional. Hay colinas simétricas a lo largo de un eje y valles simétricos a lo largo del otro, lo que da aproximadamente una forma de silla de montar.
Ejemplo de una función de onda antisimétrica para un estado cuántico de dos fermiones idénticos en una caja unidimensional , donde cada eje horizontal corresponde a la posición de una partícula. Si las partículas intercambian posiciones, 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 2 corresponden al primer y segundo electrón, respectivamente. Dado que el valor absoluto no cambia con un intercambio de signo, esto corresponde a probabilidades iguales. Los bosones , como el fotón, tienen funciones de onda simétricas. [ 102 ] : 162–218

En el caso de la antisimetría, las soluciones de la ecuación de onda para 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 cualesquiera ocupen el mismo estado cuántico. Este principio explica muchas de las propiedades de los electrones. Por ejemplo, hace que grupos de electrones ligados ocupen diferentes orbitales en un átomo, en lugar de superponerse entre sí en la misma órbita. [ 102 ] : 162–218

partículas virtuales

En una imagen simplificada, que a menudo tiende a dar una idea errónea pero 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 se aniquilan rápidamente entre sí poco después. [ 103 ] La combinación de la variación de energía necesaria para crear estas partículas, y el tiempo durante el cual existen, caen 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 , puede ser "tomada prestada" del vacío durante un período de tiempo, Δ t , de modo que su producto no sea más 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 . [ 104 ]

Una esfera con un signo menos en la parte inferior izquierda simboliza el electrón, mientras que los pares de esferas con signos más y menos muestran las partículas virtuales.
Representación esquemática de pares virtuales electrón-positrón que aparecen aleatoriamente 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 el positrón creado sea atraído por el electrón original, mientras que el electrón creado experimenta una repulsión. Esto causa lo que se denomina polarización del vacío . En efecto, el vacío se comporta como un medio con una permitividad dieléctrica mayor que la unidad . Por lo tanto, la carga efectiva de un electrón es en realidad menor que su valor real, y la carga disminuye con la distancia al electrón. [ 105 ] [ 106 ] Esta polarización fue confirmada experimentalmente en 1997 utilizando el acelerador de partículas japonés TRISTAN . [ 107 ] Las partículas virtuales causan un efecto de apantallamiento comparable para la masa del electrón. [ 108 ]

La interacción con partículas virtuales también explica la pequeña desviación (alrededor del 0,1 %) del momento magnético intrínseco del electrón respecto al magnetón de Bohr (el momento magnético anómalo ). [ 84 ] [ 109 ] La extraordinaria concordancia de esta diferencia predicha con el valor determinado experimentalmente se considera uno de los grandes logros de la electrodinámica cuántica . [ 110 ]

La aparente paradoja en la física clásica de que una partícula puntual, el electrón, tenga momento angular intrínseco y momento magnético puede explicarse mediante la formación de fotones virtuales en el campo eléctrico generado por el electrón. Estos fotones pueden considerarse heurísticamente como causantes de que el electrón se mueva de forma irregular (conocido como zitterbewegung ), lo que resulta en un movimiento circular neto con precesión . [ 111 ] Este movimiento produce tanto el espín como el momento magnético del electrón. [ 13 ] En los átomos, esta creación de fotones virtuales explica el desplazamiento de Lamb observado en las líneas espectrales . [ 105 ] 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 atractiva sobre una partícula con carga positiva, como el protón, y una fuerza repulsiva sobre una partícula con carga negativa. La magnitud de esta fuerza, en la aproximación no relativista, está determinada por la ley del inverso del cuadrado de Coulomb . [ 112 ] : 58–61 Cuando un electrón está en movimiento, genera un campo magnético . [ 102 ] : 140 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 la inducción proporciona el campo magnético que impulsa un motor eléctrico . [ 113 ] 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 ). [ 112 ] : 429–434

Un gráfico con arcos que muestra el movimiento de partículas cargadas.
Una partícula con carga q (a la izquierda) se mueve con velocidad v a través de un campo magnético B orientado hacia el observador. Para un electrón, q es negativa, por lo que sigue una trayectoria curva hacia arriba.

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 con un radio llamado girorradio . La aceleración de este movimiento curvo induce al electrón a irradiar energía en forma de radiación sincrotrón. [ 114 ] [ e ] [ 102 ] : 160 La emisión de energía, a su vez, provoca un retroceso del electrón, conocido como la fuerza de Abraham-Lorentz-Dirac , que crea una fricción que lo frena. Esta fuerza es causada por una reacción inversa del propio campo del electrón sobre sí mismo. [ 115 ]

Una curva muestra el movimiento del electrón, un punto rojo muestra el núcleo y una línea ondulada el fotón emitido.
En este caso, la radiación de frenado se produce cuando un electrón e es desviado por el campo eléctrico de un núcleo atómico. El cambio de energía E₂ E₁ determina la frecuencia f del fotón emitido.  

En electrodinámica cuántica, los fotones median las interacciones electromagnéticas entre partículas . Un electrón aislado a velocidad constante no puede emitir ni absorber un fotón real, ya que esto violaría la conservación de la energía y el momento . En cambio, los fotones virtuales pueden transferir momento entre dos partículas cargadas. Este intercambio de fotones virtuales, por ejemplo, genera la fuerza de Coulomb. [ 116 ] La emisión de energía puede ocurrir cuando un electrón en movimiento es desviado por una partícula cargada, como un protón. La desaceleración del electrón resulta en la emisión de radiación de frenado . [ 117 ]

Una colisión inelástica entre un fotón (luz) y un electrón solitario (libre) se denomina dispersión Compton . Esta colisión produce una transferencia de momento y energía entre las partículas, lo que modifica la longitud de onda del fotón en una cantidad denominada desplazamiento Compton . [ f ] La magnitud máxima de este desplazamiento de longitud de onda es h / m e c , que se conoce como longitud de onda Compton . [ 118 ] Para un electrón, tiene un valor de2,43 × 10 −12  m . [ 81 ] Cuando la longitud de onda de la luz es larga (por ejemplo, la longitud de onda de la luz visible es de 0,4–0,7  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. [ 119 ]

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 magnitud 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. Viene dada por α  0,007 297 353 , [ 120 ] que es aproximadamente igual a 1 / 137 .

Cuando los electrones y los positrones colisionan, se aniquilan mutuamente, dando lugar a dos o más fotones de rayos gamma. Si el electrón y el positrón tienen un momento despreciable, se puede formar un átomo de positronio antes de que la aniquilación produzca dos o tres fotones de rayos gamma cuyas energías totales suman 1,022  MeV. [ 121 ] [ 122 ] 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. [ 123 ] [ 124 ]

En la teoría de la interacción electrodébil , el componente levógiro de la función de onda del electrón forma un doblete de isospín 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 experimentar una interacción de corriente cargada emitiendo o absorbiendo un bosón W y 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 cargada son responsables del fenómeno de la desintegración beta en un átomo radiactivo . Tanto el electrón como el neutrino electrónico pueden experimentar una interacción de corriente neutra a través de un bosón Z 0intercambio, y esto es responsable de la dispersión elástica neutrino-electrón . [ 125 ]

En átomos y moléculas

Una tabla de cinco filas y cinco columnas, donde cada celda muestra una densidad de probabilidad codificada por colores.
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 dada.

Un electrón puede estar ligado al núcleo de un átomo mediante la fuerza de Coulomb. Un sistema de uno o más electrones ligados a un núcleo se denomina átomo. Si el número de electrones es diferente de la carga eléctrica del núcleo, dicho átomo se denomina 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. 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 entre los orbitales. [ 126 ] : 159–160 Otros métodos de transferencia orbital incluyen colisiones con partículas, como electrones, y el efecto Auger . [ 127 ] Para escapar del átomo, la energía del electrón debe aumentar 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. [ 126 ] : 127–132

El momento angular orbital de los electrones está cuantizado . Debido a que el electrón está cargado, produce un momento magnético orbital proporcional a su 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 despreciable en comparación con el de los electrones. Los momentos magnéticos de los electrones que ocupan el mismo orbital, denominados electrones apareados, se cancelan entre sí. [ 128 ]

El enlace químico entre átomos se produce como resultado de interacciones electromagnéticas, tal como lo describen las leyes de la mecánica cuántica. [ 129 ] Los enlaces más fuertes se forman por el intercambio o la transferencia de electrones entre átomos, lo que permite la formación de moléculas . [ 16 ] Dentro de una molécula, los electrones se mueven bajo la influencia de varios núcleos y ocupan orbitales moleculares ; de manera similar a como pueden ocupar orbitales atómicos en átomos aislados. [ 130 ] 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 (de manera similar a como ocurre en los átomos). Los diferentes orbitales moleculares tienen diferentes distribuciones espaciales de la densidad electrónica. Por ejemplo, los electrones se pueden encontrar con la máxima probabilidad en un volumen relativamente pequeño entre los núcleos cuando están en pares enlazados (los pares que realmente unen los átomos). En contraste, los electrones se distribuyen en un gran volumen alrededor de los núcleos en pares no enlazados. [ 131 ]

Conductividad

Cuatro rayos caen sobre el suelo
Una descarga eléctrica consiste principalmente en un flujo de electrones. [ 132 ] El potencial eléctrico necesario para un rayo puede generarse mediante un efecto triboeléctrico. [ 133 ] [ 134 ]

Un objeto tiene una carga eléctrica neta si la carga negativa total proporcionada por los electrones no es igual a la carga positiva de los núcleos. Cuando hay un exceso de electrones, se dice que el objeto tiene carga negativa. Cuando hay una falta de electrones, se dice que el objeto tiene carga positiva. 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 fricción, debido al efecto triboeléctrico . [ 135 ]

Los electrones independientes que se mueven en el vacío se denominan electrones libres . Los electrones en los metales también se comportan como si fueran libres. En realidad, las partículas que comúnmente se denominan electrones en metales y otros sólidos son cuasielectrones ( cuasipartículas ), que tienen la misma carga eléctrica, espín y momento magnético que los electrones reales, pero pueden tener una masa diferente. [ 136 ] 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. De igual manera, un campo magnético variable puede crear una corriente. Estas interacciones se describen matemáticamente mediante las ecuaciones de Maxwell . [ 137 ]

A una temperatura dada, cada material tiene una conductividad eléctrica que determina el valor de la corriente eléctrica cuando se aplica un potencial eléctrico . 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 ligados 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. [ 138 ] Por otro lado, los metales tienen una estructura de bandas electrónicas que contiene bandas electrónicas parcialmente llenas. La presencia de dichas bandas permite que los electrones en 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 ) [ 139 ] a través del material de manera muy similar a 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 de otras partes del mismo, la velocidad de propagación , suele ser aproximadamente el 75 % de la velocidad de la luz. [ 140 ] Esto se debe a que las señales eléctricas se propagan como una onda, cuya velocidad depende de la constante dieléctrica del material. [ 141 ]

Los metales son conductores de calor relativamente buenos, principalmente porque los electrones deslocalizados pueden transportar energía térmica entre los átomos. Sin embargo, a diferencia de la conductividad eléctrica, la conductividad térmica de un metal es prácticamente independiente de la temperatura. Esto se expresa matemáticamente mediante la ley de Wiedemann-Franz [ 139 ] , 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, lo que produce una dependencia de la corriente eléctrica con la temperatura [ 142 ] .

Cuando se enfrían por debajo de un punto llamado temperatura crítica , los materiales pueden experimentar una transición de fase en la que pierden toda 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 la red llamadas fonones , evitando así las colisiones con los átomos que normalmente crean resistencia eléctrica. [ 143 ] (Los pares de Cooper tienen un radio de aproximadamente 100  nm, por lo que pueden superponerse entre sí). [ 144 ] Sin embargo, el mecanismo por el cual operan los superconductores de temperatura más alta sigue siendo incierto.

Los electrones dentro de sólidos conductores, que son cuasipartículas en sí mismos, cuando están fuertemente confinados a temperaturas cercanas al cero absoluto , se comportan como si se hubieran dividido en otras tres cuasipartículas : espinones , orbitones y holones . [ 145 ] [ 146 ] El primero lleva espín y momento magnético, el siguiente lleva su ubicación orbital mientras que el último carga eléctrica.

Efectos relativistas

Según la teoría de la relatividad especial de Einstein , a medida que la velocidad de un electrón se aproxima a la velocidad de la luz , desde el punto de vista de un observador, su masa relativista aumenta, lo que dificulta cada vez más su aceleración con respecto al sistema de referencia del observador. La velocidad de un electrón puede aproximarse, 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 dicho medio. Al interactuar con el medio, generan una luz tenue llamada radiación Cherenkov . [ 147 ]

La gráfica comienza en cero y se curva bruscamente hacia arriba, hacia la derecha.
Factor de Lorentz en función de la velocidad. Comienza en el valor 1 y tiende a infinito a medida que v se aproxima a c .

Los efectos de la relatividad especial se basan en una magnitud conocida como factor de Lorentz , definida comoγ=1/1v2/do2{\displaystyle \textstyle \gamma =1/{\sqrt {1-{v^{2}}/{c^{2}}}}}donde v es la velocidad de la partícula. La energía cinética Ke de un electrón que se mueve con velocidad v es:

Kmi=(γ1)metromido2,{\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. [ 148 ] Dado que un electrón se comporta como una onda, a una velocidad dada tiene una longitud de onda de De Broglie característica . Esta viene dada por λ e  = h / p donde h es la constante de Planck y p es el momento. [ 59 ] Para el electrón de 51 GeV anterior, la longitud de onda es aproximadamente  2,4 × 10 −17  m , lo suficientemente pequeño como para explorar estructuras muy por debajo del tamaño de un núcleo atómico. [ 149 ]

Formación

Un fotón se acerca al núcleo desde la izquierda, y el electrón y el positrón resultantes se desplazan hacia la derecha.
Producción de pares de un electrón y un positrón, causada por el acercamiento de un fotón a un núcleo atómico. El símbolo del rayo representa el intercambio de un fotón virtual, por lo que actúa una fuerza eléctrica. El ángulo entre las partículas es muy pequeño. [ 150 ]

La teoría del Big Bang es la teoría científica más ampliamente aceptada para explicar las primeras etapas de la evolución del Universo. [ 151 ] Durante el primer milisegundo del Big Bang, las temperaturas superaron los 10  mil millones de kelvin y los fotones tuvieron energías medias superiores a un millón de electronvoltios . Estos fotones fueron suficientemente energéticos como para reaccionar entre sí y formar pares de electrones y positrones. Asimismo, los pares positrón-electrón se aniquilaron entre sí y emitieron fotones energéticos: 

γ + γ e ++ e

Durante esta fase de la evolución del Universo se mantuvo un equilibrio entre electrones, positrones y fotones. Sin embargo, transcurridos 15 segundos, la temperatura del universo descendió por debajo del umbral en el que podía 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. [ 152 ]

Por razones que aún se desconocen, durante el proceso de aniquilación hubo un exceso de partículas sobre antipartículas. Por lo tanto, sobrevivió aproximadamente un electrón por cada mil millones de pares electrón-positrón. 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. [ 153 ] [ 154 ] 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 cantidades traza de litio . Este proceso alcanzó su punto máximo después de unos cinco minutos. [ 155 ] Cualquier neutrones restante sufrió una desintegración beta negativa con una vida media de aproximadamente mil segundos, liberando un protón y un electrón en el proceso,

n p + e + νmi

Durante aproximadamente el siguiente300 000400 000  años , los electrones en exceso seguían siendo demasiado energéticos para unirse a los núcleos atómicos . [ 156 ] Lo que siguió fue un período conocido como recombinación , cuando se formaron átomos neutros y el universo en expansión se volvió transparente a la radiación. [ 157 ]

Aproximadamente un millón de años después del Big Bang, comenzó a formarse la primera generación de estrellas . [ 157 ] Dentro de una estrella, la nucleosíntesis estelar produce 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 correspondiente en el número de neutrones. Sin embargo, el proceso de evolución estelar puede resultar en la síntesis de isótopos radiactivos. Algunos isótopos seleccionados pueden posteriormente sufrir una desintegración beta negativa, emitiendo un electrón y un antineutrino del núcleo. [ 158 ] Un ejemplo es el isótopo cobalto-60 ( 60 Co ), que se desintegra para formar níquel-60 ( 60Ni ). [ 159 ]

Un árbol ramificado que representa la producción de partículas.
Una lluvia de partículas atmosféricas prolongada generada por un rayo cósmico energético que impacta la atmósfera terrestre.

Al final de su vida, una estrella con más de unas 20 masas solares puede sufrir un colapso gravitacional para formar un agujero negro . [ 160 ] Según la física clásica , estos objetos estelares masivos ejercen una atracción gravitacional lo suficientemente fuerte como para impedir 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 podrían permitir la emisión de radiación de Hawking a esta distancia. Se cree que los electrones (y positrones) se crean en el horizonte de sucesos 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 provocar que una de ellas aparezca en el exterior; este proceso se denomina tunelización cuántica . El potencial gravitatorio del agujero negro puede entonces suministrar la energía que transforma esta partícula virtual en una partícula real, permitiéndole irradiar energía hacia el espacio. [ 161 ] 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 al disminuir la masa, lo que eventualmente provoca que el agujero negro se evapore hasta que, finalmente, explota. [ 162 ]

Los rayos cósmicos son partículas que viajan por el espacio con altas energías. Eventos de energía tan altos como Se han registrado 3,0 × 10²⁰ eV . [ 163 ] Cuando estas partículas chocan con los nucleones en la atmósfera terrestre , se genera una lluvia de partículas, incluidos los piones . [ 164 ] Más de la mitad de la radiación cósmica observada desde la superficie terrestre 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 desintegrarse para formar un electrón o un positrón. [ 165 ]

μ e + νe +νμ

Observación

Un resplandor verde arremolinado en el cielo nocturno sobre un suelo cubierto de nieve.
Las auroras se producen principalmente por electrones energéticos que precipitan en la atmósfera [ 166 ].

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 frenado (Bremsstrahlung ). El gas de electrones puede experimentar oscilaciones de plasma , que son ondas causadas por variaciones sincronizadas en la densidad electrónica, y estas producen emisiones de energía que pueden detectarse mediante radiotelescopios . [ 167 ]

La frecuencia de un fotón es proporcional a su energía. Cuando un electrón ligado transita 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 amplio espectro, aparecen líneas oscuras distintivas en el espectro de la radiación transmitida en los lugares donde la frecuencia correspondiente es absorbida por los electrones del átomo. Cada elemento o molécula presenta un conjunto característico de líneas espectrales, como la serie espectral del hidrógeno . Cuando se detectan, las mediciones espectroscópicas de la intensidad y el ancho de estas líneas permiten determinar la composición y las propiedades físicas de una sustancia. [ 168 ] [ 169 ]

En condiciones de laboratorio, las interacciones de electrones individuales pueden observarse mediante detectores de partículas , que permiten medir propiedades específicas como la energía, el espín y la carga. [ 170 ] El desarrollo de la trampa de Paul y la trampa de Penning permite confinar partículas cargadas en una región pequeña durante largos periodos. Esto posibilita 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 10 meses. [ 171 ] El momento magnético del electrón se midió con una precisión de once dígitos, lo que, en 1980, representaba una exactitud mayor que la de cualquier otra constante física. [ 172 ]

Las primeras imágenes de vídeo 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. [ 173 ] [ 174 ]

La distribución de los electrones en materiales sólidos se puede visualizar mediante espectroscopia de fotoemisión resuelta angularmente (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. La ARPES permite determinar la dirección, la velocidad y la dispersión de los electrones dentro del material. [ 175 ]

Aplicaciones de plasma

haces de partículas

Un rayo violeta proveniente de arriba produce un brillo azul alrededor de un modelo de transbordador espacial.
Durante una prueba en un túnel de viento de la NASA , un modelo del transbordador espacial es atacado con un haz de electrones, simulando el efecto de los gases ionizantes durante la reentrada . [ 176 ]

Los haces de electrones se utilizan en la soldadura . [ 177 ] 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 generalmente no requieren material de aporte. Esta técnica de soldadura debe realizarse en vacío para evitar que los electrones interactúen con el gas antes de alcanzar su objetivo, y puede utilizarse para unir materiales conductores que de otro modo se considerarían inadecuados para la soldadura. [ 178 ] [ 179 ]

La litografía por haz de electrones (EBL) es un método para grabar semiconductores con resoluciones inferiores a un micrómetro . [ 180 ] Esta técnica se ve limitada por sus altos costos, su lento rendimiento, la necesidad de operar el haz en el vacío y la tendencia de los electrones a dispersarse en los sólidos. Este último problema limita la resolución a unos 10  nm. Por esta razón, la EBL se utiliza principalmente para la producción de pequeñas cantidades de circuitos integrados especializados . [ 181 ]

El procesamiento mediante haces de electrones se utiliza para irradiar materiales con el fin de modificar sus propiedades físicas o esterilizar productos médicos y alimenticios. [ 182 ] Los haces de electrones fluidizan o casi funden los vidrios sin un aumento significativo de la temperatura con una irradiación intensa: por ejemplo, la radiación electrónica intensa provoca una disminución de la viscosidad de varios órdenes de magnitud y una disminución gradual de su energía de activación. [ 183 ]

Los aceleradores lineales de partículas generan haces de electrones para el tratamiento de tumores superficiales en radioterapia . La terapia con electrones puede tratar lesiones cutáneas como los carcinomas basocelulares, ya que un haz de electrones solo penetra hasta una profundidad limitada antes de ser absorbido, generalmente hasta 5  cm para energías de electrones en el rango de 5 a 20  MeV. Un haz de electrones puede utilizarse para complementar el tratamiento de áreas que han sido irradiadas con rayos X. [ 184 ] [ 185 ]

Los aceleradores de partículas utilizan campos eléctricos para impulsar electrones y sus antipartículas a altas energías. Estas partículas emiten radiación sincrotrón al pasar a través de campos magnéticos. La dependencia de la intensidad de esta radiación con respecto al espín polariza el haz de electrones, un proceso conocido como efecto Sokolov-Ternov . [ g ] Los haces de electrones polarizados pueden ser útiles para diversos experimentos. La radiación sincrotrón también puede enfriar los haces de electrones para reducir la dispersión del momento de las partículas. Los haces de electrones y positrones colisionan cuando las partículas se aceleran a las energías requeridas; los detectores de partículas observan las emisiones de energía resultantes, que son estudiadas por la física de partículas . [ 186 ]

Imágenes

La difracción de electrones de baja energía (LEED) es un método que consiste en 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 rango20–200  eV . [ 187 ] La técnica de difracción de electrones de alta energía por reflexión (RHEED) utiliza la reflexión de un haz de electrones disparado en varios ángulos bajos para caracterizar la superficie de materiales cristalinos. La energía del haz suele estar en el rango8–20  keV y el ángulo de incidencia es1°–4° . [ 188 ] [ 189 ]

El microscopio electrónico dirige un haz enfocado de electrones hacia una muestra. Algunos electrones cambian sus propiedades, como la dirección de 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. [ 190 ] En luz azul, los microscopios ópticos convencionales tienen una resolución limitada por difracción de aproximadamente 200  nm. [ 191 ] 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 V. [ 192 ] El microscopio electrónico de transmisión con corrección de aberraciones es capaz de alcanzar una resolución inferior a 0,05  nm, más que suficiente para distinguir átomos individuales. [ 193 ] Esta capacidad convierte al microscopio electrónico en un instrumento de laboratorio útil para la obtención de imágenes de alta resolución. Sin embargo, los microscopios electrónicos son instrumentos costosos cuyo mantenimiento también resulta caro.

Existen dos tipos principales de microscopios electrónicos: de transmisión y de barrido . Los microscopios electrónicos de transmisión funcionan como proyectores de diapositivas , donde un haz de electrones atraviesa una lámina de material y luego es proyectado por lentes sobre una lámina fotográfica o un dispositivo de carga acoplada (CCD) . Los microscopios electrónicos de barrido barren 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 microscopios. El microscopio de efecto túnel utiliza el efecto túnel cuántico de electrones desde una punta metálica afilada hacia el material estudiado y puede producir imágenes de su superficie con resolución atómica. [ 194 ] [ 195 ] [ 196 ]

Otras aplicaciones

En el láser de electrones libres (FEL), un haz de electrones relativistas atraviesa un par de onduladores que contienen conjuntos de imanes dipolares cuyos campos apuntan en direcciones alternas. Los electrones emiten radiación sincrotrón que interactúa coherentemente con los mismos electrones para amplificar fuertemente el campo de radiación a la frecuencia de resonancia . El FEL puede emitir una radiación electromagnética coherente de alta brillantez con un amplio rango de frecuencias, desde microondas hasta rayos X blandos. Estos dispositivos se utilizan en la fabricación, las comunicaciones y en aplicaciones médicas, como la cirugía de tejidos blandos. [ 197 ]

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 . [ 198 ] En un tubo fotomultiplicador , cada fotón que incide en el fotocátodo inicia una avalancha de electrones que produce un pulso de corriente detectable. [ 199 ] 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 . [ 200 ]

Véase también

Notas

  1. Al positrón se le llama ocasionalmente "antielectrón".
  2. El denominador de la versión fraccionaria es el inverso del valor decimal (junto con su incertidumbre estándar relativa de2,9 × 10 −11 ).
  3. Las fuentes más antiguas enumeran la relación carga-masa en lugar de la convención moderna de relación masa-carga.
  4. Magnetón de Bohr:
    μB=mi2metromi{\displaystyle \textstyle \mu _ {\mathrm {B} }={\frac {e\hbar }{2m_{\mathrm {e} }}}}
  5. La radiación de electrones no relativistas a veces se denomina radiación ciclotrónica .
  6. El cambio en la longitud de onda, Δ λ , depende del ángulo de retroceso, θ , de la siguiente manera:
    Δλ=hmetromido(1porqueθ),{\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. Véase Zombeck (2007). [ 79 ] : 393, 396
  7. La polarización de un haz de electrones significa que los espines de todos los electrones apuntan en una misma 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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