Bajo condiciones controladas en el laboratorio, la interacción de los electrones con otras partículas se puede determinar mediante detectores de partículas. Eche un vistazo más de cerca. Las propiedades de los electrones, como la masa, el espín y la carga, se pueden medir y probar. Trampa de iones cuadrupolo y trampa de Penning. Las partículas cargadas pueden permanecer confinadas en un área pequeña durante largos períodos de tiempo. De esta forma, los científicos pueden medir con precisión las propiedades de las partículas cargadas. Por ejemplo, en un experimento, se confinó un electrón en una trampa de Penning durante 10 meses.
En 1980, el valor experimental del momento magnético del electrón tenía una precisión de 11 dígitos. En ese momento, era la más precisa de todas las constantes físicas medidas. En febrero de 2008, un equipo de físicos de la Universidad de Lund tomó la primera imagen en vídeo de la distribución de energía de los electrones. Los científicos utilizan destellos de luz muy cortos, llamados attosegundos. pulso, el primero en capturar el movimiento real de los electrones.
En la materia sólida, la distribución de electrones se puede visualizar mediante espectroscopia de fotoelectrones con resolución angular. Esta tecnología aplica la teoría del efecto fotoeléctrico, irradia radiación de alta energía sobre la muestra y luego mide datos como la distribución de la energía cinética y la distribución de la dirección de los electrones emitidos por la emisión fotoeléctrica. Analizando cuidadosamente estos datos, podemos inferir la estructura electrónica de la materia sólida. El físico estadounidense Robert Millikan realizó un famoso experimento en 1909 que midió con precisión la carga de los electrones. Este experimento se llama experimento de la gota de aceite. En este experimento, utilizó la fuerza de Coulomb de un campo eléctrico para equilibrar la gravedad que siente una gota de petróleo cargada. Basándose en la intensidad del campo eléctrico, calculó la carga de la gota de aceite. Su instrumento puede medir la carga de gotas de aceite que contienen de 1 a 150 iones con un error de menos de 0,3. Encontró que la carga de cada gota de aceite era múltiplo de la misma constante, por lo que concluyó que esta constante debía ser la carga del electrón.
Thomson y el estudiante John Townsend. Utilizando gas ionizado electrolítico para condensar vapor de agua sobresaturado, obtuvo resultados similares midiendo la carga de gotas de agua cargadas. 1911, Abram Iofee. Los mismos resultados se obtuvieron de forma independiente utilizando partículas metálicas cargadas. Publicó este resultado en 1911. Las gotas de aceite son más estables que las de agua y tienen una tasa de evaporación más baja, lo que las hace más adecuadas para experimentos más duraderos y precisos.
A principios del siglo XX, los experimentadores descubrieron que las partículas cargadas que se movían rápidamente condensaban vapor de agua sobreenfriado y sobresaturado en pequeñas gotas de niebla a lo largo de su trayectoria. En 1911, Charlie Wilson aplicó esta teoría para diseñar el instrumento de cámara de niebla. Los experimentadores pueden utilizar cámaras para filmar las trayectorias de electrones que se mueven rápidamente. Este fue un instrumento importante para el estudio inicial de las partículas elementales. En diferentes momentos, la gente ha hecho diversas especulaciones sobre la existencia de electrones en los átomos.
El primer modelo atómico fue el modelo del pudín de ciruelas de Tomson. Publicado en 1904, Thomson creía que los electrones estaban dispuestos uniformemente en los átomos, como ciruelas cargadas negativamente en un pudín cargado positivamente. En 1909, el famoso experimento de dispersión de Rutherford anuló por completo este modelo.
Rutherford diseñó el modelo Rutherford en 1911 basándose en sus resultados experimentales. En este modelo, la mayor parte de la masa del átomo está concentrada en un núcleo pequeño y la mayor parte del átomo está en el vacío. Los electrones, por otro lado, orbitan alrededor del núcleo como los planetas orbitan alrededor del sol. Este modelo tuvo una gran influencia en las generaciones posteriores. Hasta ahora, muchas organizaciones y unidades de alta tecnología todavía utilizan imágenes atómicas de electrones alrededor del núcleo para representarse a sí mismas.
Bajo el marco de la mecánica clásica, el modelo de órbita planetaria tiene un grave problema que no se puede explicar: los electrones que se mueven a un ritmo acelerado generarán ondas electromagnéticas, que eventualmente consumirán la energía de los electrones que han agotado su energía; la energía golpeará el núcleo (al igual que la energía de los satélites agotados eventualmente ingresará a la atmósfera de la Tierra). En 1913, Niels Bohr propuso el modelo de Bohr.
En este modelo, los electrones se mueven en regiones orbitales específicas fuera del núcleo. Cuanto más lejos del núcleo, mayor será la energía orbital. Cuando un electrón salta a una región orbital más cercana al núcleo, se libera energía en forma de fotones. Por el contrario, la energía será absorbida desde el dominio orbital del nivel de energía más bajo al dominio orbital del nivel de energía más alto. Utilizando estos campos orbitales cuantificados, Bohr calculó correctamente el espectro del átomo de hidrógeno. Pero el modelo de Bohr no podía explicar las intensidades relativas de las líneas espectrales ni calcular los espectros de átomos más complejos. Estas cuestiones aún no han sido explicadas por la mecánica cuántica.
En 1916, el físico-químico estadounidense Gilbert Lewis explicó con éxito la interacción entre átomos. Propuso que un par de electrones entre dos átomos formaba un enlace de valencia. En 1923, Walter Hey Leiter, Walter Heitler y Fritz London aplicaron la teoría de la mecánica cuántica para explicar de manera integral la formación de pares de electrones y enlaces químicos. Irving Langmuir introdujo el modelo atómico cúbico de Louis en 1919. Se propone que todos los electrones estén distribuidos en capas esféricas concéntricas (casi concéntricas) de igual espesor. Dividió estas capas esféricas en segmentos, cada uno de los cuales contenía un par de electrones. Utilizando este modelo, pudo explicar las propiedades químicas periódicas de cada elemento de la tabla periódica.
En 1924, el físico austriaco Wolfgang Pao explicó la estructura de capas de los átomos mediante un conjunto de parámetros. Este conjunto de cuatro parámetros determina el estado cuántico del electrón. Sólo se puede permitir que un electrón ocupe cada estado cuántico. (Esta regla que prohíbe que más de un electrón ocupe el mismo estado cuántico se llama principio de exclusión de Pauli). Los primeros tres parámetros de este conjunto de parámetros son el número cuántico principal, el número cuántico angular y el número cuántico magnético. El cuarto parámetro puede tener dos valores diferentes. En 1925, los físicos holandeses Samuel Gausmit y George Uhlenbeck propusieron el mecanismo físico representado por el cuarto parámetro. Creen que, además del momento angular del dominio orbital, los electrones también pueden tener un momento angular interno, llamado espín, que puede utilizarse para explicar la misteriosa división de la línea espectral observada por espectrómetros de alta resolución en experimentos anteriores. Este fenómeno se llama fragmentación de estructuras finas. En 1924, el físico francés Louis de Broglie propuso la hipótesis de De Broglie en su tesis doctoral "Recherches sur la thé Orie des quanta" ("Investigación en teoría cuántica") Se supone que toda la materia tiene dualidad onda-partícula como los fotones; Es decir, en las condiciones adecuadas, la materia como los electrones exhibirá propiedades de partículas o de fluctuación. Si un experimento físico puede mostrar que una partícula se mueve en una posición local en una órbita espacial a lo largo del tiempo, entonces el experimento demuestra claramente la naturaleza de la partícula. Después de que ondas como las ondas de luz pasen a través de las dobles rendijas del experimento de doble rendija, se generarán patrones de interferencia en la barrera de detección. Este fenómeno, sin duda, distingue la naturaleza de las fluctuaciones. En 1927, el físico británico George Tomson utilizó películas metálicas y los físicos estadounidenses Clinton Davidson y Lester Gimmer utilizaron cristales de níquel para descubrir el efecto de interferencia de los electrones.
La tesis doctoral de De Broglie fue una gran inspiración para Erwin Schrödinger: dado que una partícula fluctúa, debe existir una ecuación de onda que pueda describir completamente el comportamiento físico de esta partícula. En 1926, Schrödinger propuso la ecuación de Schrödinger. Esta ecuación puede describir el mecanismo de propagación de las ondas de electrones. No puede dar cualitativamente la trayectoria y posición claras del electrón en ningún momento. Pero puede calcular la probabilidad de que un electrón esté en un lugar determinado, es decir, la probabilidad de encontrar un electrón en un lugar determinado. Schrödinger usó sus propias ecuaciones para calcular las líneas espectrales de los átomos de hidrógeno y obtuvo la misma respuesta predicha por el modelo de Bohr (ver Átomo de Hidrógeno para más detalles). El concepto ondulatorio de la ecuación de Schrödinger crea una nueva plataforma de desarrollo para la mecánica cuántica. Además, teniendo en cuenta el espín del electrón y la interacción de varios electrones, la ecuación de Schrödinger también puede dar la configuración electrónica de los electrones en otros átomos con números atómicos más altos.
En 1928, Paul Dirac desarrolló la ecuación de Dirac. Esta fórmula describe el comportamiento físico de los electrones relativistas. Los electrones relativistas son electrones que se mueven a una velocidad cercana a la de la luz.
Para explicar el problema de los estados anormales de energía negativa que se encuentran en la solución de electrones libres de la ecuación de Dirac, Dirac propuso un modelo de vacío llamado Mar de Dirac: el vacío es un mar infinito lleno de partículas de energía negativa. Por lo tanto, predijo la existencia de positrones (el par de electrones de antimateria) en el universo. En 1932, Carl Anderson confirmó por primera vez la existencia de positrones en experimentos con rayos cósmicos.
En 1947, Willis Lamb descubrió en experimentos con Robert Retherford, un estudiante graduado de Robert Retherford, que algunos átomos de hidrógeno no deberían tener una diferencia de energía en estado degenerado, e incluso pueden tener una pequeña diferencia de energía. Este fenómeno se llama cambio de Lamb. Casi al mismo tiempo, el asistente de Polycarp Kusch, Template y Henry Foley. En un experimento realizado por ***, se descubrió que el momento magnético anómalo del electrón, es decir, el momento magnético del electrón, es ligeramente mayor que el valor predicho por la teoría de Dirac. Para explicar estos fenómenos, Asachō, Julian Schwinger y Richard Feynman crearon la electrodinámica cuántica en la década de 1940. Durante la primera mitad del siglo XX se desarrollaron la teoría y el equipo necesarios para el funcionamiento de los aceleradores de partículas. Los físicos pueden comenzar a estudiar más a fondo las propiedades de las partículas subatómicas. 1942, Donald KesterDonald Kester. En primer lugar, la inducción electromagnética se utilizó con éxito para acelerar electrones a altas energías. Bajo su dirección, la energía inicial del acelerador beta alcanzó los 2,3 MeV; más tarde alcanzó los 300 MeV. En 1947, utilizando un sincrotrón de electrones de 70 MeV en el Laboratorio General Electric, los físicos descubrieron la radiación sincrotrón, que es radiación emitida debido a la aceleración cuando los electrones relativistas se mueven en un campo magnético.
En 1968, el primer colisionador de partículas con una energía de haz de partículas de hasta 1,5 GeV se llamó ADONE. en el Instituto Nacional Italiano de Física Nuclear. Comience. Este colisionador acelera electrones y positrones en direcciones opuestas. Este método duplica efectivamente la energía de colisión en comparación con golpear un objetivo estacionario con electrones. De 1989 a 2000, el Gran Colisionador Electrones-Positrones de la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN) en las afueras de Ginebra, Suiza, pudo alcanzar energías de colisión de hasta 209 GeV. Este colisionador realizó muchos experimentos y contribuyó enormemente a probar y verificar la exactitud del modelo estándar de física de partículas. La masa de un electrón aparece en muchas leyes fundamentales del ámbito subatómico, pero la medición directa es difícil debido a la masa extremadamente pequeña de las partículas. Un equipo de físicos ha superado estos retos para obtener la medida más precisa de la masa del electrón hasta la fecha.
Un electrón queda atrapado en un núcleo de carbono hueco y el átomo resultante se coloca en un campo electromagnético uniforme llamado trampa de iones de Penning. En la trampa de iones de Penning, los átomos comienzan a oscilar a una frecuencia estable. El equipo utilizó microondas para disparar a los átomos atrapados, provocando que los espines de los electrones se movieran hacia arriba y hacia abajo. Al comparar la frecuencia de rotación atómica con la frecuencia de las microondas con inversión de espín, los investigadores utilizaron las ecuaciones de la electrodinámica cuántica para obtener la masa del electrón.