Elektronboble - Electron bubble

En elektronboble er det tomme rommet som er opprettet rundt et fritt elektron i en kryogen gass eller væske, slik som neon eller helium . De er vanligvis veldig små, omtrent 2 nm i diameter ved atmosfærisk trykk.

Elektronbobler i helium

Ved romtemperatur beveger elektroner i edle gasser seg fritt, bare begrenset av kollisjoner med de svakt interagerende atomer. Mobiliteten deres , som avhenger av gasstetthet og temperatur, er godt beskrevet av klassisk kinetisk teori . Når temperaturen senkes, avtar elektronmobiliteten siden heliumatomer bremser ved lavere temperatur og ikke samhandler med elektronet så ofte [1] .

Under en kritisk temperatur synker mobiliteten til elektronene raskt til en verdi mye under det som forventes klassisk. Dette avviket førte til utviklingen av elektronboble-teorien [2] . Ved lave temperaturer beveger ikke elektroner injisert i flytende helium seg fritt som man kunne forvente, men danner heller små vakuumbobler rundt seg selv.

Elektronavstøtning fra overflaten av helium

Elektroner er tiltrukket av flytende helium på grunn av forskjellen i dielektrisitetskonstant mellom gass og væskefase av helium. Den negative elektronen polariserer helium på overflaten, noe som fører til en bildeladning som binder den til overflaten . Elektronen er forbudt å komme inn i væsken av samme grunn at hydrogenatomer er stabile: kvantemekanikk . Elektron- og bildeladningen danner en bundet tilstand , akkurat som et elektron og proton gjør i et hydrogenatom, med en minimum gjennomsnittlig separasjon. I dette tilfellet er minimumsenergien omtrent 1 eV (en moderat mengde energi på atomskala) [3] .

Når et elektron blir tvunget inn i flytende helium i stedet for å flyte på overflaten, danner det en boble i stedet for å komme inn i væsken. Størrelsen på denne boblen bestemmes av tre hovedfaktorer (ignorerer små korreksjoner): inneslutningsbegrepet, overflatespenningsperioden og trykk-volumbegrepet. Begrensningsbegrepet er rent kvantemekanisk, siden når et elektron er tett begrenset, øker dets kinetiske energi . Overflatespenningsbetegnelsen representerer overflatenergien til det flytende heliumet; dette er akkurat som vann og alle andre væsker. Trykkvolumbegrepet er mengden energi som trengs for å presse helium ut av boblen [4] .

Her er E energien til boblen, h er Plancks konstant , m er elektronmassen , R er bobleradiusen, α er overflatenergien og P er omgivelsestrykket.

2S elektronboblen

Det er laget en teoretisk prediksjon basert på analysen av ligningen over [5] , om at 2S-elektronboblen viser en oppsiktsvekkende morfologisk ustabilitet under et bredt spekter av omgivelsestrykk. Mens bølgefunksjonen er sfærisk, er den stabile formen på boblen ikke-sfærisk.

Fotnoter

  • 1. G. Ramanan og Gordon R. Freeman (1990). "Elektronmobiliteter i lavdensitetshelium- og nitrogengasser". Tidsskrift for kjemisk fysikk . 93 (5): 3120. Bibcode : 1990JChPh..93.3120R . doi : 10.1063 / 1.459675 .
  • 2. CG Kuper (1961). "Theory of Negative Ions in Liquid Helium". Fysisk gjennomgang . 122 (4): 1007–1011. Bibcode : 1961PhRv..122.1007K . doi : 10.1103 / PhysRev.122.1007 .
  • 3. WT Sommer (1964). "Flytende helium som en barriere for elektroner". Fysiske gjennomgangsbrev . 12 (11): 271–273. Bibcode : 1964PhRvL..12..271S . doi : 10.1103 / PhysRevLett.12.271 .
  • 4. MA Woolf og GW Rayfield (1965). "Energy of Negative Ions in Liquid Helium by Photoelectric Emission". Fysiske gjennomgangsbrev . 15 (6): 235. Bibcode : 1965PhRvL..15..235W . doi : 10.1103 / PhysRevLett.15.235 .
  • 5. P. Grinfeld og H. Kojima (2003). "Ustabilitet i 2S elektronbobler". Fysiske gjennomgangsbrev . 91 (10): 105301. Bibcode : 2003PhRvL..91j5301G . doi : 10.1103 / PhysRevLett.91.105301 . PMID   14525485 .

Eksterne linker