Elektronbubbla

En elektronbubbla är det tomma utrymmet som skapas runt en fri elektron i en kryogen gas eller vätska, som neon eller helium . De är vanligtvis mycket små, cirka 2 nm i diameter vid atmosfärstryck.

Elektronbubblor i helium

Vid rumstemperatur rör sig elektroner i ädelgaser fritt, begränsat endast av kollisioner med de svagt interagerande atomerna. Deras rörlighet , som beror på gasdensiteten och temperaturen, beskrivs väl av klassisk kinetisk teori . När temperaturen sänks minskar elektronrörligheten, eftersom heliumatomerna saktar ner vid lägre temperatur och inte interagerar med elektronen så ofta.

Under en kritisk temperatur sjunker elektronernas rörlighet snabbt till ett värde mycket under vad som förväntas klassiskt. Denna diskrepans ledde till utvecklingen av elektronbubbleteorin. Vid låga temperaturer rör sig elektroner som injiceras i flytande helium inte fritt som man kan förvänta sig, utan bildar snarare små vakuumbubblor runt sig.

Elektronavstötning från heliums yta

Elektroner attraheras av flytande helium på grund av skillnaden i dielektriska konstanter mellan heliums gas- och flytande fas . Den negativa elektronen polariserar heliumet vid ytan, vilket leder till en bildladdning som binder det till ytan . Elektronen är förbjuden att komma in i vätskan av samma anledning som väteatomer är stabila: kvantmekanik . Elektronen och bildladdningen bildar ett bundet tillstånd , precis som en elektron och proton gör i en väteatom, med en minsta medelseparation. I detta fall är minimienergin cirka 1 eV (en måttlig mängd energi på atomär skala) [3] .

När en elektron tvingas in i flytande helium istället för att flyta på dess yta, bildar den en bubbla snarare än att komma in i vätskan. Storleken på denna bubbla bestäms av tre huvudfaktorer (om man ignorerar små korrigeringar): inneslutningstermen, ytspänningstermen och tryck-volymtermen. Instängningstermen är rent kvantmekanisk, eftersom närhelst en elektron är hårt instängd går dess kinetiska energi upp. Ytspänningstermen representerar ytenergin för det flytande heliumet; detta är precis som vatten och alla andra vätskor. Tryck-volymtermen är mängden energi som behövs för att trycka ut heliumet ur bubblan [ 4] .

$E\approx {\frac {h^{2}}{8mR^{2}}}+4\pi R ^{2}\alpha +{\frac {4}{3}}\pi R^{3}P$

Här är E bubblans energi, h är Plancks konstant , m är elektronmassan , R är bubblans radie, α är ytenergin och P är det omgivande trycket.

2S elektronbubblan

En teoretisk förutsägelse har gjorts baserat på analysen av ekvationen ovan [5] , att 2S-elektronbubblan uppvisar en häpnadsväckande morfologisk instabilitet under ett brett spektrum av omgivande tryck. Medan dess vågfunktion är sfärisk, är bubblans stabila form icke-sfärisk.

^ Ramanan, G.; Freeman, Gordon R. (september 1990). "Elektronrörlighet i helium- och kvävgaser med låg densitet: Momentumöverföringstvärsnitt vid mycket låga energier" . The Journal of Chemical Physics . 93 (5): 3120–3126. doi : 10.1063/1.459675 . ISSN 0021-9606 .
^ Ramanan, G.; Freeman, Gordon R. (september 1990). "Elektronrörlighet i helium- och kvävgaser med låg densitet: Momentumöverföringstvärsnitt vid mycket låga energier" . The Journal of Chemical Physics . 93 (5): 3120–3126. doi : 10.1063/1.459675 . ISSN 0021-9606 .

Fotnoter

1. G. Ramanan och Gordon R. Freeman (1990). "Elektronrörlighet i helium- och kvävgaser med låg densitet". Journal of Chemical Physics . 93 (5): 3120. Bibcode : 1990JChPh..93.3120R . doi : 10.1063/1.459675 .
2. CG Kuper (1961). "Teorin om negativa joner i flytande helium". Fysisk granskning . 122 (4): 1007–1011. Bibcode : 1961PhRv..122.1007K . doi : 10.1103/PhysRev.122.1007 .
3. WT Sommer (1964). "Flytande helium som en barriär mot elektroner". Fysiska granskningsbrev . 12 (11): 271–273. Bibcode : 1964PhRvL..12..271S . doi : 10.1103/PhysRevLett.12.271 .
4. MA Woolf och GW Rayfield (1965). "Energi av negativa joner i flytande helium genom fotoelektrisk emission". Fysiska granskningsbrev . 15 (6): 235. Bibcode : 1965PhRvL..15..235W . doi : 10.1103/PhysRevLett.15.235 .
5. P. Grinfeld och H. Kojima (2003). "Instabilitet hos 2S-elektronbubblorna". Fysiska granskningsbrev . 91 (10): 105301. Bibcode : 2003PhRvL..91j5301G . doi : 10.1103/PhysRevLett.91.105301 . PMID 14525485 .

externa länkar

"Kvantbubblor är nyckeln" (Pressmeddelande). Ny vetenskapsman . 25 november 2005.

[1] Ramanan, G.; Freeman, Gordon R. (september 1990). "Elektronrörlighet i helium- och kvävgaser med låg densitet: Momentumöverföringstvärsnitt vid mycket låga energier" . The Journal of Chemical Physics . 93 (5): 3120–3126. doi : 10.1063/1.459675 . ISSN 0021-9606 .

[2] Ramanan, G.; Freeman, Gordon R. (september 1990). "Elektronrörlighet i helium- och kvävgaser med låg densitet: Momentumöverföringstvärsnitt vid mycket låga energier" . The Journal of Chemical Physics . 93 (5): 3120–3126. doi : 10.1063/1.459675 . ISSN 0021-9606 .