Elektronenblase - Electron bubble

Eine Elektronenblase ist der leere Raum, der um ein freies Elektron in einem kryogenen Gas oder einer kryogenen Flüssigkeit wie Neon oder Helium erzeugt wird . Sie sind typischerweise sehr klein und haben bei atmosphärischem Druck einen Durchmesser von etwa 2 nm.

Elektronenblasen in Helium

Bei Raumtemperatur bewegen sich Elektronen in Edelgasen frei, nur begrenzt durch Kollisionen mit den schwach wechselwirkenden Atomen. Ihre Mobilität , die von der Gasdichte und -temperatur abhängt, ist in der klassischen kinetischen Theorie gut beschrieben . Wenn die Temperatur gesenkt wird, nimmt die Elektronenmobilität ab, da die Heliumatome bei niedrigerer Temperatur langsamer werden und nicht so oft mit dem Elektron interagieren [1] .

Unterhalb einer kritischen Temperatur fällt die Beweglichkeit der Elektronen schnell auf einen Wert ab, der weit unter dem liegt, was klassisch erwartet wird. Diese Diskrepanz führte zur Entwicklung der Elektronenblasentheorie [2] . Bei niedrigen Temperaturen bewegen sich in flüssiges Helium injizierte Elektronen nicht wie erwartet frei, sondern bilden kleine Vakuumblasen um sich herum.

Elektronenabstoßung von der Oberfläche von Helium

Elektronen werden zu flüssigem Helium zieht aufgrund der Differenz in den Dielektrizitätskonstanten zwischen der Gas- und Flüssigphase von Helium. Das negative Elektron polarisiert das Helium an der Oberfläche und führt zu einer Bildladung, die es an die Oberfläche bindet . Aus dem gleichen Grund, aus dem Wasserstoffatome stabil sind, ist es dem Elektron verboten, in die Flüssigkeit einzudringen: der Quantenmechanik . Die Elektronen- und Bildladung bilden einen gebundenen Zustand , genau wie ein Elektron und ein Proton in einem Wasserstoffatom, mit einem minimalen durchschnittlichen Abstand. In diesem Fall beträgt die minimale Energie etwa 1 eV (eine moderate Energiemenge auf atomarer Ebene) [3] .

Wenn ein Elektron in flüssiges Helium gedrückt wird, anstatt auf seiner Oberfläche zu schweben, bildet es eine Blase, anstatt in die Flüssigkeit einzutreten. Die Größe dieser Blase wird durch drei Hauptfaktoren bestimmt (wobei kleine Korrekturen ignoriert werden): den Begrenzungsterm, den Oberflächenspannungsterm und den Druck-Volumen-Term. Der Confinement-Term ist rein quantenmechanisch, da seine kinetische Energie immer dann steigt , wenn ein Elektron eng begrenzt ist. Der Oberflächenspannungsterm repräsentiert die Oberflächenenergie des flüssigen Heliums; Dies ist genau wie Wasser und alle anderen Flüssigkeiten. Der Druck-Volumen-Term ist die Energiemenge, die benötigt wird, um das Helium aus der Blase zu drücken [4] .

Hier ist E die Energie der Blase, h ist die Plancksche Konstante , m ist die Elektronenmasse , R ist der Blasenradius, α ist die Oberflächenenergie und P ist der Umgebungsdruck.

Die 2S-Elektronenblase

Basierend auf der Analyse der obigen Gleichung [5] wurde eine theoretische Vorhersage getroffen , dass die 2S-Elektronenblase unter einem weiten Bereich von Umgebungsdrücken eine erstaunliche morphologische Instabilität aufweist. Während seine Wellenfunktion kugelförmig ist, ist die stabile Form der Blase nicht kugelförmig.

Fußnoten

  • 1. G. Ramanan und Gordon R. Freeman (1990). "Elektronenmobilitäten in Helium- und Stickstoffgasen niedriger Dichte". Zeitschrift für chemische Physik . 93 (5): 3120. Bibcode : 1990JChPh..93.3120R . doi : 10.1063 / 1.459675 .
  • 2. CG Kuper (1961). "Theorie negativer Ionen in flüssigem Helium". Körperliche Überprüfung . 122 (4): 1007–1011. Bibcode : 1961PhRv..122.1007K . doi : 10.1103 / PhysRev.122.1007 .
  • 3. WT Sommer (1964). "Flüssiges Helium als Barriere für Elektronen". Briefe zur körperlichen Überprüfung . 12 (11): 271–273. Bibcode : 1964PhRvL..12..271S . doi : 10.1103 / PhysRevLett.12.271 .
  • 4. MA Woolf und GW Rayfield (1965). "Energie negativer Ionen in flüssigem Helium durch photoelektrische Emission". Briefe zur körperlichen Überprüfung . 15 (6): 235. Bibcode : 1965PhRvL..15..235W . doi : 10.1103 / PhysRevLett.15.235 .
  • 5. P. Grinfeld und H. Kojima (2003). "Instabilität der 2S-Elektronenblasen". Briefe zur körperlichen Überprüfung . 91 (10): 105301. Bibcode : 2003PhRvL..91j5301G . doi : 10.1103 / PhysRevLett.91.105301 . PMID   14525485 .

Externe Links