Thực đơn
Electron
Trong Mô hình Chuẩn của vật lý hạt, electron thuộc về nhóm các hạt hạ nguyên tử gọi là lepton, mà được cho là những hạt cơ bản. Electron có khối lượng nhỏ nhất trong nhóm lepton (cũng như trong nhóm các hạt mang điện) và thuộc về thế hệ thứ nhất của hạt cơ bản.[63] Thế hệ thứ hai và thứ ba bao gồm các lepton mang điện, hạt muon và tau, chúng có giá trị điện tích, spin và tham gia tương tác giống với của electron, nhưng có khối lượng lớn hơn. Lepton khác so với những thành phần cơ bản khác của vật chất, hạt quark, khi lepton không tham gia vào tương tác mạnh. Tất cả các thành viên trong nhóm lepton đều là fermion, bởi vì chúng đều có spin bán nguyên; electron có spin 1/2.[64]
Khối lượng bất biến (khối lượng nghỉ) của electron xấp xỉ bằng &-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1.0000009.109×10−31 kilogram,[65] hay &-1-1-10000000000000.0005495.489×10−4 đơn vị khối lượng nguyên tử. Trên cơ sở của nguyên lý sự tương đương khối lượng-năng lượng của Einstein, khối lượng này tương ứng với mức năng lượng nghỉ 0,511 MeV. Tỷ số giữa khối lượng của một proton so với của electron bằng khoảng 1836.[10][66] Các đo đạc thiên văn cho thấy tỷ số khối lượng proton trên khối lượng electron vẫn giữ nguyên không đổi, như được dự đoán bởi Mô hình Chuẩn, trong thời gian ít nhất bằng một nửa tuổi của vũ trụ.[67]
Electron có điện tích bằng &-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1.0000001.602176634×10−19 coulomb,[65] mà đã được sử dụng làm đơn vị điện tích chuẩn cho các hạt hạ nguyên tử, và cũng được gọi là điện tích cơ bản.[68] Giá trị điện tích của proton bằng giá trị của electron nhưng mang dấu ngược lại.[69] Vì ký hiệu e được sử dụng cho điện tích cơ bản, electron thường được ký hiệu là e⁻, với dấu trừ thể hiện cho điện tích âm. Positron được ký hiệu e+ bởi vì nó có cùng các tính chất với electron nhưng mang điện tích dương.[64][65]
Electron có mômen động lượng nội tại hay spin 1/2.[65] Do tính chất này mà electron thường được coi các hạt có spin-1/2.[64] Những hạt như vậy có độ lớn spin bằng √3/2 ħ.[note 3] trong khi kết quả đo từ hình chiếu của spin lên một trục bất kỳ chỉ có thể bằng ±ħ/2. Ngoài spin, electron còn có mômen từ hướng dọc theo trục spin của nó.[65] Giá trị mômen từ electron xấp xỉ bằng một Bohr magneton,[70][note 4] là hằng số vật lý bằng &-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1.0000009.27400915(23)×10−24 joule trên tesla.[65] Hướng của spin so với hướng của mômen động lượng electron xác định lên tính chất của các hạt cơ bản được biết đến là tính xoắn (helicity).[71]
Electron không có cấu trúc bên trong[1][72] và nó được cho là một hạt điểm với điện tích điểm và không có sự mở rộng ra không gian.[9]
Vấn đề xác định bán kính của electron là một vấn đề thử thách trong vật lý lý thuyết hiện đại. Sự thừa nhận giả thuyết electron có bán kính hữu hạn lại gây ra những mâu thuẫn với thuyết tương đối hẹp. Mặt khác, electron tựa hạt điểm (bán kính zero) lại tạo ra những khó khăn toán học nghiêm trọng do năng lượng tự thân (self-energy) của electron khi ấy lại tiến đến vô hạn.[73] Quan sát electron đơn lẻ trong bẫy Penning gợi ý rằng giới hạn trên của bán kính của nó bằng 10−22 mét.[74]Giá trị giới hạn trên của bán kính electron bằng 10−18 mét[75] có thể dẫn ra từ nguyên lý bất định kết hợp với năng lượng. Cũng có một giá trị gọi là "bán kính electron cổ điển", con số &-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-100.0000002.8179×10−15 m lớn hơn rất nhiều bán kính của proton. Tuy nhiên, giá trị này được tìm từ những phép tính đơn giản mà bỏ qua các hiệu ứng của cơ học lượng tử; trong thực tế, giá trị bán kính electron cổ điển không có nhiều ý nghĩa khi đề cập đến cấu trúc cơ bản bên trong của electron.[76][note 5]
Có những hạt cơ bản khác tự động phân rã thành những hạt khối lượng nhẹ hơn. Ví dụ cho muon, nó có thời gian sống trung bình &-1-1-1-1-100000000000.0000022.2×10−6 giây, và phân rã thành một electron, một neutrino muon và một phản neutrino electron. Hạt electron, mặt khác, theo lý thuyết được cho là hạt bền: electron là hạt có khối lượng nhỏ nhất với điện tích khác 0, do đó sự phân rã của nó sẽ vi phạm định luật bảo toàn điện tích.[77] Thực nghiệm xác định giới hạn dưới của thời gian sống của electron là &098226-6-8-40-6-42-2-62.0000006.6×1028 năm, ở mức 90% độ tin cậy.[7][78][79]
Như mọi hạt khác, các electron có hành xử như những sóng. Đặc điểm này được gọi là lưỡng tính sóng–hạt và được chứng minh bằng thí nghiệm giao thoa hai khe.
Bản chất sóng của electron cho phép nó đi qua hai khe song song một cách đồng thời, hơn là chỉ một khe ở một thời điểm như đối với trường hợp của hạt. Trong cơ học lượng tử, tính chất sóng của một hạt được miêu tả bằng toán học dưới dạng hàm giá trị phức, hay hàm sóng, thường được ký hiệu bằng chữ cái Hy Lạp psi (ψ). Khi tính bình phương giá trị tuyệt đối của hàm này, sẽ cho xác suất quan sát được một hạt ở một vị trí cho trước—hay chính là mật độ xác suất.[80]:162–218
Ví dụ về một hàm sóng phản xứng của một trạng thái lượng tử của hai ferrmion đồng nhất trong hộp 1 chiều. Nếu các hạt đổi chỗ cho nhau, hàm sóng tương ứng sẽ đổi dấu.Electron là những hạt đồng nhất bởi vì không thể phân biệt được chúng dựa trên những tính chất vật lý nội tại của hạt. Trong cơ học lượng tử, điều này có nghĩa là một cặp electron tương tác có thể đổi chỗ cho nhau mà không làm thay đổi trạng thái quan sát được của hệ. Hàm sóng của các fermion, bao gồm electron, là hàm phản xứng, có nghĩa rằng nó thay đổi dấu khi hai electron trao đổi vị trí cho nhau; hay, ψ(r1, r2) = −ψ(r2, r1), với các biến r1 và r2 tương ứng với electron thứ nhất và thứ hai. Vì giá trị tuyệt đối không thay đổi khi hai hạt đổi chỗ cho nhau, điều này tương ứng với xác suất của hai sự kiện là bằng nhau. Ngược lại, hạt boson, như photon, lại có hàm sóng đối xứng.[80]:162–218
Trong trường hợp phản xứng, các nghiệm của phương trình sóng cho các electron tương tác sẽ cho xác suất bằng 0 đối với mỗi cặp chiếm cùng một vị trí hoặc trạng thái. Kết quả này tương ứng với nguyên lý loại trừ Pauli, phát biểu rằng không thể có hai electron chiếm cùng một trạng thái lượng tử. Nguyên lý này giải thích cho nhiều tính chất của các electron hóa học. Ví dụ, nó làm cho nhóm các electron liên kết chiếm những orbitan khác nhau trong một nguyên tử, hơn là đan xen lẫn nhau trong cùng một orbitan.[80]:162–218
Trong một bức tranh đơn giản, mỗi photon đôi lúc được coi như là tổ hợp của một hạt electron ảo với phản hạt ảo của nó, positron ảo, mà chúng nhanh chóng hủy lẫn nhau khi vừa mới sinh ra trong một thời gian rất ngắn.[81] Sự kết hợp của biến thiên năng lượng cần thiết để sinh ra những hạt này, và khoảng thời gian trong đó chúng tồn tại, phải nằm trong ngưỡng chấp nhận được tuân theo nguyên lý bất định Heisenberg, ΔE · Δt ≥ ħ. Để thỏa mãn nguyên lý này, năng lượng cần thiết để sinh ra những hạt ảo này, ΔE, có thể được "mượn" từ chân không trong một khoảng thời gian, Δt, sao cho tích của chúng không được lớn hơn hằng số Planck thu gọn, ħ ≈ &-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-10.0000006.6×10−16 eV·s. Do vậy, đối với một electron ảo, Δt lớn nhất bằng &-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1.0000001.3×10−21 s.[82] (nghĩa là nếu cặp electron ảo - positron ảo mượn năng lượng ΔE từ chân không lượng tử thì phải trả lại năng lượng này cho chân không sau tối đa một khoảng thời gian Δt sao cho ΔE · Δt ≤ ħ)
Minh họa các cặp hạt electron–positron ảo xuất hiện ngẫu nhiên gần một electron (phía dưới bên trái)Khi một cặp electron–positron ảo đang tồn tại, lực tĩnh điện Coulomb từ điện trường tức thời xung quanh hạt electron sẽ làm hút hạt positron về phía electron gốc ban đầu, trong khi electron được sinh ra chịu một lực đẩy. Hiệu ứng này chính là sự phân cực chân không. Về mặt hiệu ứng, chân không hành xử như một môi trường có dielectric permittivity lớn hơn 1 đơn vị. Do vậy điện tích hữu hiệu của một electron thực sự nhỏ hơn giá trị thực của nó, và điện tích giảm dần khi khoảng cách tăng dần tính từ electron.[83][84] Sự phân cực này đã được xác nhận bằng thực nghiệm vào năm 1997 tại máy gia tốc hạt TRISTAN ở Nhật Bản.[85] Các hạt ảo cũng tạo ra "hiệu ứng lá chắn" (shielding effect) đáng kể cho khối lượng của electron.[86]
Tương tác với các hạt ảo cũng giải thích sự sai lệch nhỏ (khoảng 0,1%) về giá trị của mômen từ nội tại của electron so với magneton Bohr (sai lệch này được gọi là mômen từ dị thường của electron).[70][87] Sự khớp chính xác tuyệt vời giữa giá trị tính toán trên lý thuyết và giá trị đo được bằng thực nghiệm của mômen từ dị thường electron được coi là một trong những thành tựu quan trọng nhất của điện động lực học lượng tử.[88]
Nghịch lý trong vật lý cổ điển về hạt điểm electron lại có mômen góc spin và mômen từ nội tại có thể được giải quyết bởi sự hình thành của các cặp hạt photon ảo trong điện trường sinh bởi electron. Các photon ảo này (đến lượt lại sinh ra các cặp electron-positron ảo khác) làm cho electron luôn dịch chuyển xung quanh vị trí của nó (còn gọi là zitterbewegung),[89] mà tổng hợp lại thành một chuyển động tròn với hiệu ứng tiến động. Chuyển động này tạo ra cả spin và mômen từ của electron.[9][90] Trong nguyên tử, sự sinh các cặp hạt photon ảo giúp giải thích hiệu ứng dịch chuyển Lamb như đã quan sát thấy ở các vạch quang phổ.[83]
Electron sinh ra từ trường tạo ra lực hút lên hạt mang điện dương, như proton, và lực đẩy lên hạt mang điện âm. Cường độ của lực này trong điện động lực học cổ điện được xác định bằng định luật nghịch đảo bình phương Coulomb.[91]:58–61 Khi một electron đang trong chuyển động, nó tạo ra một từ trường bao quanh.[80]:140 Định luật Ampère-Maxwell cho biết mối liên hệ giữa từ trường và chuyển động của dòng các electron (dòng điện) tương ứng với người quan sát. Tính chất cảm ứng này cung cấp một từ trường dẫn động làm quay động cơ điện.[92] Trường điện từ của một hạt mang điện bất kỳ đang trong chuyển động được miêu tả bằng thế Liénard–Wiechert, thế này đúng cho cả trường hợp hạt chuyển động với vận tốc gần bằng tốc độ ánh sáng (hay vận tốc tương đối tính).[91]:429–434
Hạt mang điện tích q (bên trái) đang chuyển động với vận tốc v bên trong từ trường B có hướng vuông góc hướng đến người quan sát. Đối với electron, q mang điện âm sẽ chuyển động theo quỹ đạo cong hướng lên trên.Khi một electron chuyển động trong từ trường, nó chịu tác dụng của lực Lorentz tác động theo phương vuông góc với mặt phẳng xác định bởi vectơ từ trường và vectơ vận tốc của electron. Lực hướng tâm làm cho electron chuyển động trên một quỹ đạo xoắn ốc trong từ trường với bán kính Larmor. Sự gia tốc từ chuyển động theo đường cong ghềnh này làm cảm ứng electron phát ra năng lượng dưới dạng bức xạ đồng bộ (synchrotron radiation).[80]:160[93][note 6] Năng lượng bức xạ này làm hãm electron, hay còn gọi là lực Abraham–Lorentz–Dirac, tạo ra ma sát làm chậm chuyển động của electron. Lực này cũng gây ra tác động ngược (back-reaction) lên điện từ trường của chính electron.[94]
Bức xạ Bremsstrahlung sinh ra khi một electron e bị lệch hướng gây bởi điện trường của một hạt nhân nguyên tử. Mức năng lượng thay đổi E2 − E1 xác định lên tần số f của photon phát ra.Trong điện động lực học lượng tử photon là hạt truyền tải tương tác điện từ giữa các hạt. Một electron đơn lẻ chuyển động với vận tốc đều không thể phát ra hay hấp thụ một photon thực; do sẽ vi phạm định luật bảo toàn năng lượng và động lượng. Mặt khác, các photon ảo có thể truyền động lượng giữa hai hạt mang điện tích. Sự trao đổi này của các photon ảo, ví dụ, làm tạo ra lực Coulomb.[95] Bức xạ năng lượng xuất hiện khi một electron chuyển động bị làm lệch quỹ đạo gây bởi điện trường của một hạt mang điện khác, như proton. Sự gia tốc của electron làm phát ra bức xạ Bremsstrahlung.[96]
Một photon (ánh sáng) va chạm phi đàn hồi với một electron (tự do) được gọi là tán xạ Compton. Kết quả của va chạm này là động lượng và năng lượng được truyền qua giữa các hạt, làm thay đổi bước sóng của photon bằng một lượng được gọi là dịch chuyển Compton.[note 7] Độ dịch chuyển lớn nhất của bước sóng bằng h/mec, hay còn gọi là bước sóng Compton.[97] Đối với một electron, nó có giá trị bằng &-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-100000.0000002.43×10−12 m.[65] Khi bước sóng của ánh sáng là dài (ví dụ bước sóng của ánh sáng khả kiến bằng 0,4–0,7 μm) sự dịch chuyển bước sóng có thể bỏ qua được. Trong trường hợp này, tương tác giữa ánh sáng và electron tự do được gọi là tán xạ Thomson hay tán xạ Thomson tuyến tính.[98]
Độ mạnh tương đối của tương tác điện từ giữa hai hạt điện tích, chẳng hạn giữa một electron và một proton, được xác định bởi hằng số cấu trúc tế vi. Đây là đại lượng không thứ nguyên hình thành dựa trên tỉ số của hai dạng năng lượng: năng lượng tĩnh điện của lực hút (hoặc đẩy) ở khoảng cách bằng một lần bước sóng Compton, và năng lượng nghỉ của các hạt mang điện tích. Nó có giá trị bằng α ≈ &-1-100000000000000.0072977.297353×10−3, hay xấp xỉ bằng 1/137.[65]
Khi electron và positron va chạm, chúng hủy lẫn nhau, làm phát ra hai hoặc ba photon tia gamma. Nếu electron và positron có động lượng bỏ qua được, va chạm có thể hình lên nguyên tử positronium trước khi hai hạt hủy lẫn nhau để hình ra các photon có tổng năng lượng 1,022 MeV.[99][100] Mặt khác, một photon năng lượng cao có thể biến đổi thành cặp electron và positron bởi quá trình sinh cặp (pair production), nhưng chỉ trong sự có mặt của một hạt điện tích gần nó, như một hạt nhân chẳng hạn.[101][102]
Trong lý thuyết tương tác điện yếu, thành phần hàm sóng hướng bên trái (chiral) của electron tạo thành bộ đôi isospin yếu với neutrio electron. Điều này có nghĩa rằng trong tương tác yếu, neutrino electron hành xử như các electron. Mỗi loại hạt của bộ đôi này (doublet) có thể tham gia vào tương tác dòng tích (charged current) bằng cách phát ra hoặc hấp thụ một boson W và biến đổi sang thành hạt kia. Điện tích được bảo toàn trong quá trình này bởi vì boson W cũng mang điện tích, làm cho tổng điện tích của quá trình biến đổi là không thay đổi. Các tương tác dòng tích chịu trách nhiệm cho hiện tượng phân rã beta trong một nguyên tử phóng xạ. Cả electron và neutrino electron có thể tham gian vào tương tác dòng trung hòa (neutral current interaction) thông qua sự trao đổi một boson Z⁰, và chịu trách nhiệm cho tán xạ đàn hồi neutrino-electron.[103]
Một electron có thể liên kết với hạt nhân của một nguyên tử bởi lực hút Coulomb. Một hệ có một hoặc nhiều electron liên kết với một hạt nhân được gọi là một nguyên tử. Nếu số electron khác với số điện tích của hạt nhân, nguyên tử đó được gọi là một ion. Hành xử dạng sóng của một electron liên kết được miêu tả bằng một hàm sóng gọi là obitan nguyên tử. Mỗi obitan đặc trưng bởi các số lượng tử như mức năng lượng, mômen động lượng và hình chiếu của mômen góc, và chỉ có các obitan rời rạc tồn tại xung quanh hạt nhân. Theo nguyên lý loại trừ Pauli mỗi obital có thể chiếm giữ bởi tối đa hai electron, và chúng phải có số lượng tử spin khác nhau.
Electron có thể nhảy sang các obitan khác nhau thông qua sự hấp thụ hoặc phát ra photon có năng lượng bằng hiệu giữa hai mức năng lượng đó.[104] Các phương pháp khác làm electron chuyển sang obitan khác bao gồm sự va chạm của nó với hạt khác, như các electron, và nhờ hiệu ứng Auger.[105] Để thoát ra khỏi nguyên tử, năng lượng của electron phải tăng và lớn hơn năng lượng liên kết với nguyên tử. Điều này xảy ra, ví dụ, như ở hiệu ứng quang điện, khi một photon tới va chạm có năng lượng lớn hơn năng lượng ion hóa nguyên tử và bị electron hấp thụ.[106]
Mômen góc obitan của electron bị lượng tử hóa. Bởi electron mang điện, nó có một mômen từ obitan tỷ lệ với mômen góc. Tổng mômen từ của một nguyên tử bằng tổng vec tơ của mô men từ spin và mômen từ obitan của tất cả các electron và hạt nhân. Mômen từ của hạt nhân là nhỏ so với của các electron. Mômen từ của các electron chiếm giữ cùng một obitan (còn gọi là cặp electron) triệt tiêu lẫn nhau.[107]
Liên kết hóa học giữa các nguyên tử chính là tương tác điện từ giữa chúng, như miêu tả bởi các định luật của cơ học lượng tử.[108] Liên kết mạnh nhất hình thành bởi chia sẻ hoặc cho/nhận các electron giữa các nguyên tử, dẫn đến hình thành lên các phân tử.[12] Bên trong một phân tử, các electron chuyển động dưới ảnh hưởng của một vài hạt nhân, và chiếm giữ các obitan phân tử; giống như chúng chiếm giữ các obitan trong một nguyên tử cô lập.[109] Một yếu tố cơ bản trong các cấu trúc phân tử đó là sự tồn tại các cặp electron. Đây là các electron có spin ngược nhau, cho phép chúng có thể chiếm giữ cùng một obitan phân tử mà không vi phạm nguyên lý loại trừ Pauli (tương tự như ở nguyên tử). Các obitan phân tử khác nhau có phân bố mật độ electron theo không gian khác nhau. Ví dụ, ở các cặp electron liên kết (nghĩa là các cặp thực sự liên kết các nguyên tử với nhau) có thể được tìm thấy với xác suất cực đại nằm ở vùng thể tích tương đối nhỏ giữa các hạt nhân. Ngược lại, ở các cặp electron không liên kết chúng phân bố trong thể tích lớn hơn bao quanh hạt nhân.[110]
Nếu một vật thể có nhiều hoặc ít hơn lượng electron cần thiết để cân bằng với điện tích dương của hạt nhân nguyên tử, thì tổng thể vật đó có mang điện tích. Khi có nhiều hơn electron, vật đó mang điện âm. Khi có ít electron hơn số lượng proton trong hạt nhân nguyên tử, vật mang điện dương. Khi số electron và proton bằng nhau, điện tích của chúng hủy lẫn nhau và vật thể ở trạng thái cân bằng điện (hay trung hòa). Nhờ tác động chà xát có thể làm vật thể vĩ mô mang điện thông qua hiệu ứng điện ma sát (triboelectric effect).[114]
Các electron độc lập chuyển động trong chân không được gọi là các electron tự do. Các electron trong kim loại cũng hành xử như chúng chuyển động tự do. Thực sự thì các hạt được gọi là các electron trong kim loại và những thể rắn khác là những giả-electron—giả hạt, mà có cùng điện tích, spin, và mômen từ như các electron thực thụ nhưng có khối lượng khác với nó.[115] Khi các electron tự do—trong chân không lẫn kim loại—chuyển động, chúng tạo ra một dòng mạng lưới điện tích được gọi là dòng điện, từ đó tạo ra một từ trường. Giống như một dòng điện có thể được sinh ra từ sự thay đổi của một từ trường. Những tương tác và mối quan hệ này được miêu tả bởi phương trình Maxwell.[116]
Ở mỗi nhiệt độ nhất định, từng vật liệu có một độ dẫn điện ảnh hưởng đến giá trị của dòng điện khi áp vào một điện thế. Những vật dẫn điện tốt bao gồm kim loại như đồng và vàng, trong khi thủy tinh và Teflon lại dẫn điện kém. Ở bất kỳ vật liệu cách điện nào, các electron vẫn bám vào các nguyên tử và vật liệu có tính chất như là một chất cách điện. Hầu hết các chất bán dẫn có mức độ dẫn điện biến đổi từ phạm vi dẫn điện cực tốt cho đến cách điện hoàn toàn.[117] Mặt khác, các kim loại có cấu trúc dải điện tử chứa các vùng năng lượng được lấp đầy một phần bởi electron. Sự có mặt của những vùng năng lượng này cho phép các electron trong kim loại hành xử như chúng được tự do hoặc gọi là các electron phi định xứ (delocalized electrons). Những electron không liên kết với một nguyên tử nhất định, do vậy khi áp dụng một điện trường, chúng chuyển động tự do như một chất khí (được gọi là khí Fermi)[118] đi qua vật liệu giống như các electron tự do.
Bởi vì có sự va chạm giữa các electron với các nguyên tử, vận tốc trôi (drift velocity) của các electron trong một vật dẫn có độ lớn cỡ vài milimét trên một giây. Tuy nhiên, trường hợp có sự thay đổi dòng điện từ một điểm trong vật liệu gây ra sự thay đổi dòng điện ở điểm khác trong vật liệu, thì tốc độ lan truyền (velocity of propagation) của hiệu ứng này, điển hình bằng khoảng 75% tốc độ ánh sáng.[119] Điều này xảy ra bởi vì tín hiệu điện lan truyền như một sóng, với vận tốc phụ thuộc vào hằng số điện môi của vật liệu.[120]
Đa số kim loại có độ dẫn nhiệt tương đối tốt, chủ yếu bởi vì các electron phi định xứ vận chuyển năng lượng nhiệt tự do giữa các nguyên tử. Tuy nhiên, không giống như sự dẫn điện, sự dẫn nhiệt của một kim loại gần như độc lập với nhiệt độ của vật liệu. Điều này đã được phát biểu bằng định luật Wiedemann–Franz,[118] nói rằng tỉ số độ dẫn nhiệt trên độ dẫn điện tỷ lệ thuận với nhiệt độ của vật liệu. Sự mất trật tự bởi nhiệt trong dàn tinh thể nguyên tử kim loại làm tăng điện trở của vật liệu, tạo ra sự phụ thuộc vào nhiệt độ đối với dòng điện.[121]
Khi làm lạnh vật liệu xuống dưới một mức gọi là nhiệt độ tới hạn, vật liệu trải qua sự chuyển pha trong đó nó mất hoàn toàn tính kháng điện (điện trở) đối với dòng điện, hay chính là hiệu ứng siêu dẫn. Trong lý thuyết BCS, các cặp electron được gọi là cặp Cooper trong chuyển động của chúng bắt cặp với nguyên tử gần đấy thông qua những dao động dàn nguyên tử gọi là phonon, do đó cặp Cooper tránh được va chạm với các nguyên tử mà thường tạo ra điện trở.[122] (các cặp Cooper có bán kính xấp xỉ bằng 100 nm, do đó nếu coi chúng như sóng vật chất thì chúng có thể chồng chập lẫn nhau.)[123] Tuy nhiên, cơ chế ẩn chứa cho hiệu ứng siêu dẫn nhiệt độ cao hơn ở một số vật liệu vẫn còn là câu đố bí ẩn chưa có lý thuyết giải thích thỏa đáng.
Các electron bên trong vật dẫn, mà chính chúng cũng là những giả hạt, khi đặt trong nhiệt độ rất gần với độ không tuyệt đối, có thể được phân ra thành ba loại giả hạt: spinon, orbiton và holon.[124][125] Hạt đầu tiên mang spin và mômen từ, hạt tiếp theo mang vị trí orbitan của nó trong hạt còn lại mang điện tích.
Theo thuyết tương đối hẹp của Einstein, khi tốc độ của một electron tiệm cận tới tốc độ ánh sáng, người quan sát từ một hệ quy chiếu quán tính sẽ đo được khối lượng tương đối tính của hạt tăng lên, do đó khiến cho nó càng khó để có thể gia tốc nó từ bên trong hệ quy chiếu của người quan sát. Tốc độ của một electron có thể tiếp cận đến, nhưng không bao giờ bằng, tốc độ của ánh sáng trong chân không, c. Tuy nhiên, khi các electron tương đối tính—là những electron chuyển động với tốc độ gần bằng c—chuyển động trong môi trường điện môi như nước, nơi vận tốc ánh sáng trong nó nhỏ hơn nhiều so với c, các electron trong môi trường này có thể chuyển động nhanh hơn tốc độ ánh sáng. Khi chúng tương tác va chạm với môi trường, chúng tạo ra một ánh sáng nhạt được gọi là bức xạ Cherenkov.[126]
Hệ số Lorentz là một hàm số theo vận tốc. Nó bắt đầu từ giá trị 1 và tiến tới vô hạn khi v tiệm cận tới c.Các hiệu ứng trong thuyết tương đối hẹp được miêu tả dựa trên một đại lượng gọi là hệ số Lorentz, định nghĩa bằng γ = 1 / 1 − v 2 / c 2 {\displaystyle \scriptstyle \gamma =1/{\sqrt {1-{v^{2}}/{c^{2}}}}} với v là tốc độ của hạt. Động năng Ke của một electron chuyển động với vận tốc v bằng:
K e = ( γ − 1 ) m e c 2 , {\displaystyle \displaystyle K_{\mathrm {e} }=(\gamma -1)m_{\mathrm {e} }c^{2},}với me là khối lượng của electron. Ví dụ, ở máy gia tốc thẳng Stanford có thể gia tốc một electron tới động năng gần bằng 51 GeV.[127] Vì một electron hành xử như dạng sóng, ở một vận tốc bất kỳ nó có một bước sóng de Broglie đặc trưng. Bước sóng này được cho bởi λe = h/p với h là hằng số Planck và p là động lượng.[47] Đối với electron có động năng 51 GeV ở trên, bước sóng de Broglie bằng &-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1.0000002.4×10−17 m, đủ nhỏ để khám phá các cấu trúc có kích thước nhỏ hơn kích cỡ của một hạt nhân nguyên tử.[128]
Thực đơn
ElectronLiên quan
Tài liệu tham khảo
WikiPedia: Electron