Bańka elektronowa

Bańka elektronowa to pusta przestrzeń utworzona wokół swobodnego elektronu w kriogenicznym gazie lub cieczy, takiej jak neon lub hel . Są one zazwyczaj bardzo małe, około 2 nm średnicy pod ciśnieniem atmosferycznym.

Pęcherzyki elektronów w helu

W temperaturze pokojowej elektrony w gazach szlachetnych poruszają się swobodnie, ograniczone jedynie zderzeniami ze słabo oddziałującymi atomami. Ich ruchliwość , która zależy od gęstości i temperatury gazu, jest dobrze opisana przez klasyczną teorię kinetyki . Wraz ze spadkiem temperatury zmniejsza się ruchliwość elektronów, ponieważ atomy helu zwalniają w niższej temperaturze i nie wchodzą w interakcje z elektronem tak często.

Poniżej temperatury krytycznej ruchliwość elektronów szybko spada do wartości znacznie niższej od oczekiwanej klasycznie. Ta rozbieżność doprowadziła do powstania teorii baniek elektronowych. W niskich temperaturach elektrony wstrzykiwane do ciekłego helu nie poruszają się swobodnie, jak można by się spodziewać, ale raczej tworzą wokół siebie małe pęcherzyki próżni.

Odpychanie elektronów od powierzchni helu

Elektrony są przyciągane do ciekłego helu z powodu różnicy stałych dielektrycznych między fazą gazową i ciekłą helu. Ujemny elektron polaryzuje hel na powierzchni, co prowadzi do powstania ładunku obrazu , który wiąże hel z powierzchnią . Elektronowi nie wolno wchodzić do cieczy z tego samego powodu, dla którego wodoru są stabilne: mechaniki kwantowej . Ładunek elektronu i obrazu tworzą stan związany , podobnie jak elektron i proton w atomie wodoru, z minimalną średnią separacją. W tym przypadku minimalna energia wynosi około 1 eV (umiarkowana ilość energii w skali atomowej) [3] .

Kiedy elektron jest wtłaczany do ciekłego helu, zamiast unosić się na jego powierzchni, tworzy bańkę, zamiast wchodzić do cieczy. Rozmiar tego bąbelka jest określony przez trzy główne czynniki (pomijając małe poprawki): człon uwięzienia, człon napięcia powierzchniowego i człon ciśnienie-objętość. Termin uwięzienia jest czysto kwantowo-mechaniczny, ponieważ ilekroć elektron jest ciasno uwięziony, jego energia kinetyczna wzrasta. Termin napięcia powierzchniowego reprezentuje energię powierzchniową ciekłego helu; jest dokładnie tak, jak woda i wszystkie inne płyny. Wyrażenie ciśnienie-objętość to ilość energii potrzebna do wypchnięcia helu z bańki [4] .

${\ Displaystyle E \ w przybliżeniu {\ Frac {h ^ {2}} {8mR ^ {2}}} + 4 \ pi R ^{2}\alpha +{\frac {4}{3}}\pi R^{3}P}$

Tutaj E to energia bąbla, h to stała Plancka , m to masa elektronu , R to promień bąbla, α to energia powierzchniowa, a P to ciśnienie otoczenia.

Bańka elektronów 2S

[5] dokonano teoretycznej prognozy , że bąbel elektronów 2S wykazuje zaskakującą niestabilność morfologiczną w szerokim zakresie ciśnień otoczenia. Podczas gdy jego funkcja falowa jest sferyczna, stabilny kształt bańki jest niesferyczny.

przypisy

• 1. G. Ramanan i Gordon R. Freeman (1990). „Ruchliwości elektronów w helu i gazach azotowych o małej gęstości”. Journal of Chemical Physics . 93 (5): 3120. Bibcode : 1990JChPh..93.3120R . doi : 10.1063/1.459675 .
• 2. CG Kuper (1961). „Teoria jonów ujemnych w ciekłym helu”. Przegląd fizyczny . 122 (4): 1007–1011. Bibcode : 1961PhRv..122.1007K . doi : 10.1103/PhysRev.122.1007 .
• 3. WT Sommer (1964). „Ciekły hel jako bariera dla elektronów”. Fizyczne listy przeglądowe . 12 (11): 271–273. Bibcode : 1964PhRvL..12..271S . doi : 10.1103/PhysRevLett.12.271 .
• 4. MA Woolf i GW Rayfield (1965). „Energia jonów ujemnych w ciekłym helu przez emisję fotoelektryczną”. Fizyczne listy przeglądowe . 15 (6): 235. Bibcode : 1965PhRvL..15..235W . doi : 10.1103/PhysRevLett.15.235 .
• 5.   P. Grinfeld i H. Kojima (2003). „Niestabilność pęcherzyków elektronów 2S”. Fizyczne listy przeglądowe . 91 (10): 105301. Bibcode : 2003PhRvL..91j5301G . doi : 10.1103/PhysRevLett.91.105301 . PMID 14525485 .

Linki zewnętrzne

• „Kluczem są bańki kwantowe” (informacja prasowa). Nowy naukowiec . 25 listopada 2005 r.