Electrn 1

Electrn

Electrn e

La naturaleza de partcula del electrn se demostr por primera vez con un tubo de Crookes. En esta ilustracin, un haz de electrones proyecta elperfil en forma de cruz del objetivo contra la cara del tubo.[]

Clasificacin Partculas elementales[]

Familia Fermin

Grupo Leptn

Generacin Primera

Interaccin Gravedad,Electromagnetismo,Nuclear dbil

Smbolo(s) e

Antipartcula Positrn

Teorizada Richard Laming (18381851),[1]

G. Johnstone Stoney (1874) y otros.[][]

Descubierta J. J. Thomson (1897)[]

Masa 9,10938291(40)1031 kg[2]

5,4857990946(22)104 uma[3]

0,510998928(11) MeV/c2[4]

1822.8884845 (14)1u[5]

Carga elctrica 1 e1.602176565(35)1019 C[6][7]

Momento magntico 1.00115965218111B[8]

Carga de color -

Espn 1/2

El electrn (del griego clsico , mbar), comnmente representado por el smbolo: e, es una partculasubatmica con una carga elctrica elemental negativa.[9] Un electrn no tiene componentes o subestructuraconocidos, en otras palabras, generalmente se define como una partcula elemental.[] Tiene una masa que esaproximadamente 1836 veces menor con respecto a la del protn.[10] El momento angular (espn) intrnseco delelectrn es un valor semientero en unidades de , lo que significa que es un fermin. Su antipartcula es denominadapositrn: es idntica excepto por el hecho de que tiene cargas entre ellas, la elctrica de signo opuesto. Cuandoun electrn colisiona con un positrn, las dos partculas pueden resultar totalmente aniquiladas y producir fotones derayos gamma.

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Los electrones, que pertenecen a la primera generacin de la familia de partculas de los leptones,[11] participan enlas interacciones fundamentales, tales como la gravedad, el electromagnetismo y la fuerza nuclear dbil.[12] Comotoda la materia, posee propiedades mecnico-cunticas tanto de partculas como de ondas, de tal manera que puedencolisionar con otras partculas y pueden ser difractadas como la luz. Esta dualidad se demuestra de una mejor maneraen experimentos con electrones a causa de su nfima masa. Como los electrones son fermiones, dos de ellos nopueden ocupar el mismo estado cuntico, segn el principio de exclusin de Pauli.[11]

El concepto de una cantidad indivisible de carga elctrica fue teorizado para explicar las propiedades qumicas de lostomos, el primero en trabajarlo fue el filsofo naturalista britnico Richard Laming en 1838.[] El nombre electrnpara esta carga fue introducido el 1894 por el fsico irlands George Johnstone Stoney. Sin embargo, el electrn nofue identificado como una partcula hasta 1897 por Joseph John Thomson y su equipo de fsicos britnicos.[][13][14]

En muchos fenmenos fsicos tales como la electricidad, el magnetismo o la conductividad trmica loselectrones tienen un papel esencial. Un electrn que se mueve en relacin a un observador genera un campo elctricoy es desviado por campos magnticos externos. Cuando se acelera un electrn, puede absorber o radiar energa enforma de fotones. Los electrones, junto con ncleos atmicos formados de protones y neutrones, conforman lostomos, sin embargo, los electrones contribuyen con menos de un 0,06% a la masa total de los mismos. La mismafuerza de Coulomb, que causa la atraccin entre protones y electrones, tambin hace que los electrones quedenenlazados. El intercambio o comparticin de electrones entre dos o ms tomos es la causa principal del enlacequmico.[15] Los electrones pueden ser creados mediante la desintegracin beta de istopos radiactivos y encolisiones de alta energa como, por ejemplo, la entrada de un rayo csmico en la atmsfera. Por otra parte, puedenser destruidos por aniquilacin con positrones, y pueden ser absorbidos durante la nucleosntesis estelar. Existeninstrumentos de laboratorio capaces de contener y observar electrones individuales as como plasma de electrones,adems, algunos telescopios pueden detectar plasma de electrones en el espacio exterior. Los electrones tienenmuchas aplicaciones, entre ellas la electrnica, la soldadura, los tubos de rayos catdicos, los microscopioselectrnicos, la radioterapia, los lseres, los detectores de ionizacin gaseosa y los aceleradores de partculas.

Historia y descubrimientoLos griegos antiguos se dieron cuenta de que el mbar atraa pequeos objetos cuando se le frotaba contra el pelaje.Junto con el rayo, este fenmeno es una de las primeras experiencias conocidas de los humanos con laelectricidad.[16] En su tratado de 1600, De Magnete, el cientfico ingls William Gilbert defini el trmino neolatnelectricus para referirse a la propiedad de un objeto de atraer pequeos objetos despus de ser frotado.[17] Tanto laspalabras elctrico como electricidad derivan del latn electrum, que a su vez proviene de la palabra griega (elektron), que significa mbar.A principios de los aos 1700, Francis Hauksbee y Charles Franois de Cisternay du Fay descubrieron, cada uno porsu lado, lo que crean que eran dos tipos de electricidad friccional: uno generado por el rozamiento con vidrio, y elotro por el rozamiento con resina. A partir de esto, Du Fay teoriz que la electricidad consista en dos fluidoselctricos, el vtreo y el resinoso, que estaban separados por la friccin y que se neutralizaban el uno al otrocuando eran combinados.[18] Una dcada ms tarde, Benjamin Franklin propuso que la electricidad no provena dedos tipos diferentes de fluido elctrico sino de un mismo fluido a presiones diferentes; les dio la nomenclaturamoderna de carga positiva y negativa, respectivamente.[19] Franklin pensaba que el portador de carga erapositivo, pero no identific correctamente qu situacin reflejaba un excedente del portador de carga y en qu casoera un dficit.[20]

Entre 1838 y el 1851, el filsofo naturalista britnico Richard Laming desarroll la idea de que un tomo estaba compuesto de un ncleo de materia rodeado por partculas subatmicas con carga elctrica.[1] A partir de 1846, el fsico alemn William Weber teoriz que la electricidad estaba compuesta de fluidos cargados positivamente y negativamente, y que su interaccin estaba gobernada por la ley del inverso del cuadrado. Ms tarde, tras estudiar el fenmeno de la electrlisis, el fsico irlands George Johnstone Stoney sugiri que exista una nica cantidad

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definida de electricidad, la carga de un ion monovalente; siendo capaz de estimar el valor de esta carga elementalmediante las leyes de Faraday de la electrlisis.[21] Sin embargo, Stoney crea que estas cargas estaban ligadaspermanentemente a tomos y que no podan ser removidas. En 1881, el fsico alemn Hermann von Helmholtzargument que tanto las cargas positiva como negativa estaban divididas en partes elementales, cada una de lascuales se comportaba como tomos de electricidad.[]

En 1894, Stoney estableci el trmino ingls electron para describir estos cambios elementales: [...] se hizo unaestimacin de la cantidad real de esta unidad de electricidad fundamental, que es la ms destacable, por lo que me heaventurado a sugerir el nombre 'electron'.[22] Dicha palabra electrn, que deriva del ingls, es una combinacin dela palabra electricidad y del sufijo griego patrn ('el medio por el cual se hace').[23][24]

Descubrimiento

Haz de electrones dentro de un tubo de rayosfiliformes siendo desviados siguiendo una

trayectoria circular mediante un campo magnticohomogneo.[25][26]

El fsico alemn Johann Wilhelm Hittorf emprendi el estudio de laconductividad elctrica de gases enrarecidos. En 1869, descubri unbrillo emitido desde el ctodo que aumentaba de tamao cuando el gasdisminua de presin. En 1876, el tambin fsico alemn EugenGoldstein mostr que los rayos de ese brillo proyectaban una sombra, ylos denomin rayos catdicos.[27] Durante la dcada de 1870, elqumico y fsico ingls Sir William Crookes desarroll el primer tubode rayos catdicos con un vaco elevado (vaco con presin en el rangode 100 mPa a 100 NPA).[28] Entonces mostr que los rayosluminiscentes que aparecan dentro del tubo llevaban energa y queiban del ctodo al nodo. Adems, aplicando un campo magntico,Crookes fue capaz de desviar los rayos, con lo cual demostr que elhaz se comportaba como si estuviera cargado negativamente.[29][30] En 1879 propuso que estas propiedades sepodan explicar con lo que l denomin materia radiante. Sugiri que se trataba del cuarto estado de la materia,que consista en molculas cargadas negativamente que eran proyectadas a alta velocidad desde el ctodo.[31]

El fsico britnico nacido en Alemania, Arthur Shuster, continu los experimentos iniciados por Crookes colocandoplacas de metal paralelas a los rayos catdicos y aplicando un potencial elctrico entre ellas. El campo desviaba losrayos hacia la placa cargada positivamente, lo que evidenciaba an ms que los rayos llevaban una carga negativa.Al medir la cantidad de desviacin causada por un cierto nivel de corriente elctrica, en 1890, Schuster fue capaz dedeterminar la proporcin masa-carga de los componentes de los rayos. Sin embargo, logr un valor que era ms demil veces lo esperado, por lo que, en aquella poca, no se dio mucho crdito a sus clculos.[29][32]

En 1896, el fsico britnico Joseph John Thomson, junto con sus colegas John Sealy Townsend y Harold AlbertWilson,[13] llev a cabo experimentos que indicaron que los rayos catdicos eran realmente partculas nicas y noondas, tomos o molculas, tal como se crea anteriormente.[] Thomson hizo buenas estimaciones tanto de la cargacomo de la masa, y encontr que las partculas de los rayos catdicos a las cuales llamaba corpsculos tenanquizs una milsima parte de la masa del ion menos masivo conocido, el ion hidrgeno.[][14] Asimismo, demostrque su proporcin carga-masa (e/m) era independiente del material del ctodo. Ms tarde demostr que las partculascargadas negativamente producidas por materiales radiactivos, por materiales calentados y por materiales iluminadoseran universales.[][33] El nombre de electrn para estas partculas fue propuesto de nuevo por el fsico irlandsGeorge FitzGerald y, desde entonces, la palabra consigui una aceptacin por partes.[29]

En 1896, mientras estudiaba los minerales naturalmente fluorescentes, el fsico francs Henri Becquerel descubri que estos emitan radiacin sin estar expuestos a ninguna fuente de energa externa. Estos materiales radiactivos se convirtieron en tema de estudio de inters de muchos cientficos, entre ellos el fsico neozelands Ernest Rutherford, que descubri que emitan partculas. Design a estas partculas alfa y beta segn su capacidad de penetrar la materia.[34] En 1900, Becquerel demostr que los rayos beta emitidos por radio podan ser desviados por un campo

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elctrico, y que su proporcin masa-carga era la misma que la de los rayos catdicos.[35] Esta evidencia reforz laidea de que los electrones existan en forma de componentes en los tomos.[36][37]

La carga del electrn fue medida con ms cuidado por los fsicos estadounidenses Robert Millikan y Harvey Fletchermediante su experimento de la gota de aceite (1909), cuyos resultados fueron publicados en 1911. Este experimentousaba un campo elctrico para evitar que una gota de aceite cargada cayera como resultado de la gravedad. Elaparato era capaz de medir la carga elctrica tan pequea como de 1 a 150 iones con un margen de error del 0,3%.Algunos experimentos similares haban sido llevados a cabo anteriormente por el equipo de Thomson[] usando nubesde gotas de agua cargadas generadas por electrlisis,[13] y en el mismo ao por Abram Ioffe el cual, de maneraindependiente, obtuvo el mismo resultado que Millikan usando micropartculas de metales cargadas, publicando susresultados en 1913.[38] Sin embargo, las gotas de aceite eran ms estables que las de agua debido a que su tasa deevaporacin es menor, lo cual haca que fueran ms adecuadas para llevar a cabo este tipo de experimentos queduraban largos periodos de tiempo.[39]

Hacia el comienzo del siglo XX se descubri que, bajo ciertas condiciones, una partcula cargada que se movarpidamente causaba una condensacin de vapor de agua supersaturada a lo largo de su camino. En 1911, CharlesWilson us este principio para concebir su cmara de niebla, la cual permita fotografiar los caminos trazados porcargas cargadas tales como electrones.[40]

Teora atmicaEn 1914, los experimentos llevados a cabo hasta ese momento por los fsicos Ernest Rutherford, Henry Moseley,James Franck y Gustav Hertz ya haban establecido en gran medida la estructura del tomo como un ncleo denso decarga positiva rodeado por electrones de masa reducida.[] En 1913, el fsico dans Niels Bohr postul que loselectrones residan en estados de energa cuantificados; segn l, esta energa estaba determinada por el momentoangular de las rbitas del electrn alrededor del ncleo. Los electrones se podan mover entre estos estados urbitas mediante la emisin o absorcin de fotones a frecuencias especficas. Por medio de estas rbitascuantificadas, Bohr explic las lneas espectrales del tomo de hidrgeno.[41] Sin embargo, el modelo de Bohrfallaba en la justificacin de las intensidades relativas de las lneas espectrales, y tampoco tuvo xito para explicarlos espectros de tomos ms complejos.[]

Los enlaces qumicos entre tomos fueron explicados por Gilbert Newton Lewis, que en 1916 propuso que un enlacecovalente entre dos tomos se mantiene por un par de electrones compartidos entre ellos.[42] Ms tarde, en 1923,Walter Heitler y Fritz London dieron una explicacin completa sobre la formacin de pares de electrones y losenlaces qumicos en trminos mecnico-cuntico.[43] En 1919, el qumico americano Irving Langmuir ampli elmodelo esttico del tomo de Lewis y sugiri que todos los electrones eran distribuidos en capas esfricas sucesivas(casi) concntricas, todas de grueso idntico.[44] Estas capas se encontraban, segn Langmuir, divididas en unnmero de celdas en las que cada una contena un par de electrones. Con este modelo, el cientfico americano fuecapaz de explicar cualitativamente las propiedades qumicas de todos los elementos de la tabla peridica, que ya sesaba que se parecan entre s segn la ley peridica formulada por Dmitri Mendeliev.[45]

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En 1924, el fsico austriaco Wolfgang Pauli observ que laposible estructura en capas del tomo se podra explicar conun conjunto de cuatro parmetros que definan cada estadocuntico de energa, siempre que cada estado fuera habitadopor no ms de un electrn.)[46] El mecanismo fsico paraexplicar el cuarto parmetro que tena dos posibles valoresdiferentes fue provisto por los fsicos holandeses SamuelGoudsmit y George Uhlenbeck. En 1925, Goudsmit yUhlenbeck sugirieron que un electrn, adicionalmente almomento angular de su rbita, posee un momento angularintrnseco y un momento dipolar magntico.[][47] Elmomento angular intrnseco se convirti ms tarde en lo quese denominara como espn, y explicaba la anteriormentemisteriosa separacin de las lneas espectrales observadascon un espectrmetro de alta precisin, este fenmeno esconocido como desdoblamiento de estructura fina.[48]

Mecnica cuntica

Tras su disertacin ocurrida en 1924 de Recherches sur la Theorie des cunta (Investigacin sobre la teoracuntica), el fsico francs Louis de Broglie hizo la hiptesis de que toda la materia posee una onda similar a la dela contenida en la luz;[49] es decir, en unas condiciones apropiadas, los electrones y dems materia mostraranpropiedades bien de partculas o de ondas. Las propiedades corpusculares de una partcula se hacen evidentes cuandose demuestra que tiene una posicin localizada en el espacio a lo largo de su trayectoria en cualquier momento.[50]

Se observa en la naturaleza ondas de luz, por ejemplo, cuando un haz de esta pasa a travs de rendijas paralelas ycrea patrones de interferencia. En 1927, el efecto de interferencia fue demostrado con un haz de electrones por elfsico ingls George Paget Thomson con un film delgado de metal y por los fsicos americanos Clinton Davisson yLester Germer usando un cristal de nquel.[51]

El xito de la prediccin de Broglie llev a la publicacin en 1926 de la ecuacin de Schrdinger por ErwinSchrdinger, que describe cmo se propagan las ondas de electrones.[52] En vez de dar una solucin que determina lalocalizacin de un electrn a lo largo del tiempo, esta ecuacin de onda se puede utilizar para predecir laprobabilidad de encontrar un electrn cerca de una posicin. Este enfoque recibi posteriormente el nombre demecnica cuntica; se trataba de una aproximacin extremadamente precisa de los estados de energa de unelectrn en un tomo de hidrgeno.[53] Cuando se consideraron el espn y la interaccin entre varios electrones, lamecnica cuntica permiti predecir con xito la configuracin de electrones de tomos con nmeros atmicos msaltos que el del hidrgeno.[54]

En 1928, trabajando sobre la obra de Wolfgang Pauli, el britnico-suizo Paul Dirac concibi un modelo del electrn,la ecuacin de Dirac, consistente con la teora de la relatividad. Dirac aplic consideraciones relativsticas ysimtricas a la formulacin hamiltoniana de la mecnica cuntica del campo electromagntico.[55] Para poderresolver algunos problemas de su ecuacin relativista, en 1930, Dirac desarroll un modelo del vaco como un marinfinito de partculas con energa negativa, el cual fue llamado mar de Dirac. Todo ello hizo que Dirac fuera capazde predecir la existencia del positrn, el homlogo en la antimateria del electrn.[56] Esta partcula fue descubierta en1932 por Carl David Anderson, quien propuso que los electrones estndar se llamaran negatrones y que el trminoelectrn se usara como un trmino genrico para describir las variantes cargadas tanto positiva comonegativamente.

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En 1947, Willis Eugene Lamb encontr, mientras trabajaba en colaboracin con el estudiante de postgrado RobertRutherford, que ciertos estados cunticos del tomo de hidrgeno que deberan tener la misma energa seencontraban desplazados los unos respecto de los otros; esta diferencia se denomina desplazamiento de Lamb. Casial mismo tiempo, Polykarp Kusch, que trabajaba con Henry Michael Foley, descubri que el momento magntico delelectrn es ligeramente mayor que el que predice Dirac con su teora. Esta pequea diferencia se llam a posteriorimomento dipolar magntico anmalo del electrn. La diferencia fue explicada ms tarde por la teora de laelectrodinmica cuntica desarrollada por Sin-Itiro Tomonaga, Julian Schwinger y Richard Feynman a finales de ladcada de 1940.[57]

Aceleradores de partculasCon el desarrollo del acelerador de partculas durante la primera mitad del siglo XX, los fsicos empezaron a entrarms a fondo en las propiedades de las partculas subatmicas.[58] El primer intento con xito de acelerar electronesutilizando la induccin electromagntica fue llevado a cabo en 1942 por Donald Kerst. Su betatrn inicial alcanzabaenergas de 2,3 MeV, mientras que los betatrones posteriores podan llegar hasta 300 MeV. En 1947 se descubri laradiacin de sincrotrn gracias a un sincrotrn de electrones de 70 MeV de General Electric; esta radiacin eracausada por la aceleracin de los electrones a travs de un campo magntico movindose cerca de la velocidad de laluz.[59]

Con una energa del haz de 1,5 GeV, el primer colisionador de partculas de alta energa fue el Adone, que comenza operar en 1968.[60] Este aparato aceleraba los electrones y los positrones en direcciones opuestas de tal manera quedoblaba la energa de su colisin con respecto al choque de un electrn con un objetivo esttico.[61] El LargeElectron-Positron collider (LEP) del CERN, que estuvo activo de 1989 a 2000, consigui energas de colisin de 209GeV y llev a cabo importantes descubrimientos para el modelo estndar de fsica de partculas.[62][63]

Confinamiento de electrones individualesActualmente se pueden confinar electrones individuales en transistores CMOS ultrapequeos (L= 20 nm, W= 20 nm)que operan a temperaturas criognicas (del rango de 4 K a 15 K).[64] La funcin de onda del electrn se extiende enuna retcula semiconductora e interacciona de manera despreciable con la banda de valencia de los electrones, de talmanera que se puede tratar dentro del formalismo de partcula simplemente reemplazando su masa con el tensor demasa efectiva.

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Caractersticas

El Modelo Estndar de partculas elementales: 12 fermiones fundamentales y 4 bosonesfundamentales. Por favor, ntese que las masas de algunas partculas son sujetas a

evaluaciones peridicas por la comunidad cientfica. Los valores actuales reflejados eneste grfico son de 2008 y puede que no hayan sido ajustadas desde ese momento. Para el

ltimo consenso, por favor visitar el Particle Data Group.

Clasificacin

En el modelo estndar de fsica departculas, los electrones pertenecen algrupo de partculas subatmicasllamado leptones, que se cree que sonlas partculas elementalesfundamentales. Los electrones tienen lamasa ms pequea de cualquier leptncon carga (y tambin de cualquierpartcula cargada de cualquier tipo) ypertenecen a la primera generacin departculas fundamentales.[65] Lasegunda y tercera generacionescontienen leptones cargados el muony el tau que son idnticos al electrnen cuanto a la carga, el espn y lasinteracciones, pero tienen ms masa.Los leptones difieren de los otrosconstituyentes bsicos de la materia,los quarks, por su falta de interaccinfuerte. Todos los miembros del grupode los leptones son fermiones, porquetodos ellos tienen un espn semientero;puesto que el electrn tiene un espn de1/2.[]

Propiedades fundamentales

La masa invariante de un electrn es aproximadamente de 9.109 10-31 kg o,[66] equivalentemente, de 5.489 10-4

uma. Segn el principio de equivalencia masa-energa de Einstein, esta masa corresponde a una energa en reposo de0,511 MeV. La proporcin entre la masa de un protn y la de un electrn es aproximadamente de 1836 a 1.[10][67]

Medidas astronmicas demuestran que la proporcin entre las masas del protn y el electrn han mantenido elmismo valor durante, al menos, la mitad de la edad del universo, tal como predice el modelo estndar.[68]

El electrn tiene una carga elctrica de -1,602 10-19 coulomb;[66] esta carga se utiliza como unidad estndar decarga de las partculas subatmicas. Dentro de los lmites de la precisin experimental, la carga del electrn esidntica a la del protn pero con el signo opuesto.[69] Como el smbolo 'e' se utiliza para la carga elemental, elelectrn se suele simbolizar por e- (el smbolo - indica la carga negativa). El positrn se simboliza por e+ porquetiene las mismas propiedades que el electrn pero carga positiva.[][66]

El espn (momento angular intrnseco) del electrn es de 1/2.[66] Esta propiedad se suele indicar, refirindose alelectrn, como una partcula espn -1/2.[] Para este tipo de partculas, la magnitud de espn es 3/2 ,[70] y elresultado de la medida de la proyeccin del espn sobre cualquier eje slo puede ser /2. De forma adicional alespn, el electrn tiene un momento magntico a lo largo de su eje[66][71][72] que es aproximadamente un magnetnde Bohr, el cual es una constante fsica que equivale a 9,27400915 (23) 10-24 joules por tesla.[66] La orientacin delespn respecto al momento del electrn define la propiedad de las partculas elementales conocida como helicidad.[]

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El electrn no tiene ninguna subestructura conocida. Es por ello que se define como una partcula puntual con cargapuntual y sin extensin espacial. Si se observa un solo electrn mediante una trampa de penning se puede ver que ellmite superior del radio de la partcula es de 10-22 metros. Existe una constante fsica llamada radio clsico delelectrn, de un valor mucho mayor (2,8179 10-15 m); sin embargo, la terminologa proviene de un clculosimplificado que ignora los efectos de la mecnica cuntica. En realidad, el llamado radio clsico del electrn tienepoco que ver con la estructura fundamental verdadera de esta partcula.[73][74]

Hay partculas elementales que se desintegran espontneamente en partculas menos masivas. Un ejemplo es elmuon, el cual se desintegra en un electrn, un neutrino y un antineutrino, y que tiene una vida media de 2,2 10-6

segundos. Sin embargo, se cree que el electrn es estable en terrenos tericos: el electrn es la partcula de menosmasa con una carga elctrica diferente de cero, por lo que su desintegracin violara la conservacin de carga.[75] Ellmite inferior experimental de la vida media de un electrn es de 4,6 1026 aos, con un intervalo de confianza del90%.[76][77]

Propiedades cunticasComo todas las partculas, los electrones pueden actuar como ondas: esto se llama dualidad onda-partcula, y sepuede demostrar utilizando el experimento de la doble rendija. La naturaleza similar a la de una onda del electrn lepermite pasar a travs de dos rendijas paralelas de manera simultnea y no slo a travs de una, como sera el caso deuna partcula clsica. En mecnica cuntica, la propiedad similar a la onda de una partcula puede describirsematemticamente como una funcin compleja, la funcin de onda, que se suele denotar por la letra griega psi ().Cuando el valor absoluto de esta funcin se eleva al cuadrado se obtiene la probabilidad de que una partcula seaobservada cerca de una localizacin (densidad de probabilidad).[]

Los electrones son partculas idnticas porque no se pueden distinguir el uno del otro a partir de sus propiedadesfsicas intrnsecas. En mecnica cuntica, esto significa que un par de electrones que interaccionan deben ser capacesde intercambiar sus posiciones sin que se produzca un cambio observable en el estado del sistema. La funcin deonda de los fermiones grupo dentro del que se incluyen los electrones es antisimtrica, lo que significa quecambia de signo cuando se intercambian dos electrones, es decir: (r1, r2) =- (r2, r1) (donde las variables r1 y r2corresponden al primer y segundo electrn, respectivamente). Como el valor absoluto no resulta modificado cuandose cambia el signo, esto corresponde a probabilidades iguales. A diferencia de los fermiones, los bosones talescomo el fotn tienen funciones de onda simtricas.[]

En caso de antisimetra, las soluciones de la ecuacin de onda para electrones que interaccionan resultan en unaprobabilidad cero de que cada par pueda ocupar la misma localizacin (o estado). El principio de exclusin de Paulise basa en eso: descarta que cualesquiera dos electrones puedan ocupar el mismo estado cuntico. Al mismo tiempo,este principio tambin explica muchas de las propiedades de los electrones: por ejemplo, que grupos de electronesenlazados ocupen diferentes orbitales de un tomo en lugar de sobreponerse unos a otros en la misma rbita.[]

Partculas virtualesLos fsicos creen que el espacio vaco podra estar creando de manera continua pares de partculas virtuales talescomo un positrn y un electrn que se aniquilan rpidamente la una con la otra.[78] La combinacin de la variacinde energa necesaria para crear estas partculas y el tiempo durante el cual existen caen dentro del lmite dedetectabilidad que expresa el principio de incertidumbre de Heisenberg, E t : la energa que se necesita paracrear estas partculas virtuales (E) se puede sacar del vaco durante un periodo de tiempo (t) de tal manera quesu producto no sea ms elevado que la constante de Planck reducida ( 6,6 10-16 eVs). De ello se extrae, pues,que por un electrn virtual t es como mximo 1,3 10-21 s.[]

Mientras existe un par virtual electrn-positrn, la fuerza de Coulomb del campo elctrico del entorno que rodea al electrn hace que el positrn creado sea atrado al electrn original, mientras que un electrn creado experimenta una repulsin. Esto causa lo que se conoce como polarizacin del vaco. El vaco se comporta, pues, como un medio que

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tiene una permitividad dielctrica mayor que la unidad. En consecuencia, la carga efectiva del electrn es realmentemenor que su valor real, y la carga decrece cuando aumenta la distancia respecto del electrn.[79][80] Estapolarizacin fue confirmada de manera experimental en 1997 mediante el acelerador de partculas japonsTRISTAN.[81] Las partculas virtuales causan un efecto pantalla similar para la masa del electrn.[82]

La interaccin con partculas virtuales tambin explica la pequea desviacin (de aproximadamente el 0,1%) delmomento magntico intrnseco del electrn respecto al magnetn de Bohr (el momento dipolar magnticoanmalo).[71][83] La coincidencia extraordinariamente precisa entre esta diferencia predicha y el valor determinadoexperimentalmente se considera uno de los grandes xitos de la electrodinmica cuntica.[84]

En fsica clsica, el momento angular y el momento magntico de un objeto dependen de sus dimensiones fsicas. Espor ello que el concepto de un electrn sin dimensiones que tenga estas propiedades puede parecer inconsistente.Esta aparente paradoja se puede explicar por la formacin de fotones virtuales en el campo elctrico general para elelectrn: estos fotones hacen que el electrn haga un movimiento de vibracin ultrarrpido (lo que se conoce comozitterbewegung),[85] que tiene resultado un movimiento circular limpio con precesin. Este movimiento es el queproduce el espn y el momento magntico del electrn.[11][86] En los tomos, esta creacin de fotones virtualesexplica el desplazamiento de Lamb que se observa en las lneas espectrales.[79]

Interaccin

Animacin que muestra dos tomos de oxgenofusionndose para formar una molcula de O2 en

su estado cuntico fundamental. Las nubes decolor representan los orbitales atmicos. Los

orbitales 2s y 2p de cada tomo se combinan paraformar los orbitales y de la molcula, que la

mantienen unida. Los orbitales 1s, ms interiores,no se combinan y permiten distinguir a cada

ncleo.

Un electrn genera un campo elctrico que ejerce una fuerza deatraccin sobre una partcula de carga positiva (tal como el protn) yuna carga de repulsin sobre una partcula de carga negativa. Lamagnitud de esta fuerza se determina mediante la ley de Coulomb delinverso del cuadrado.[87] Cuando un electrn est en movimientogenera un campo magntico.[88] La ley de Ampre-Maxwell relacionael campo magntico con el movimiento masivo de los electrones (lacorriente elctrica) respecto de un observador. Esta propiedad deinduccin, por ejemplo, es la que da el campo magntico necesariopara hacer funcionar un motor elctrico.[89] El campo electromagnticode una partcula cargada de movimiento arbitrario se expresa mediantelos potenciales de Linard-Wiechert, los cuales son vlidos inclusocuando la velocidad de la partcula es cercana a la de la luz(relatividad).

Cuando un electrn se mueve a travs de un campo magntico estsujeto a la fuerza de Lorentz, la cual ejerce una influencia en unadireccin perpendicular al plano definido por el campo magntico y lavelocidad del electrn. La fuerza centrpeta hace que el electrn sigauna trayectoria helicoidal a travs del campo con un radio que se llama

radio de Larmor. La aceleracin de este movimiento curvado induce al electrn a radiar energa en forma deradiacin sincrotrn.[90][91][92] La emisin de energa, a su vez, causa un retroceso del electrn conocido comofuerza de Abraham-Lorentz, que crea una friccin que ralentiza el electrn. Esta fuerza es causada por una reaccininversa del mismo campo del electrn sobre s mismo.[93]

En electrodinmica cuntica, la interaccin electromagntica entre partculas es mediada por fotones. Un electrnaislado que no est sufriendo ninguna aceleracin no es capaz de emitir o absorber un fotn real, si lo hiciera violarala conservacin de la energa y la cantidad de movimiento. En lugar de ello, los fotones virtuales pueden transferir

cantidad de movimiento entre dos partculas cargadas.[94] Este intercambio de fotones virtuales genera, por ejemplo, la fuerza de Coulomb. La emisin de energa puede tener lugar cuando un electrn en movimiento es desviado por

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una partcula cargada (por ejemplo, un protn). La aceleracin del electrn tiene como resultado la emisin deradiacin Bremsstrahlung.[95]

Una colisin inelstica entre un fotn (luz) y un electrn solitario (libre) se llama difusin Compton. Esta colisinresulta en una transferencia de cantidad de movimiento y energa entre las partculas que modifica la longitud deonda del fotn en un fenmeno denominado desplazamiento de Compton.[96] La mxima magnitud de estedesplazamiento de longitud de onda es h/mec, lo que se conoce como longitud de onda de Compton,[97] que para elelectrn toma un valor de 2,43 10-12 m.[66] Cuando la longitud de onda de la luz es larga (por ejemplo, la longitudde onda de la luz visible es de 0,4-0,7 micras) el desplazamiento de la longitud de onda se convierte despreciable.Este tipo de interaccin entre la luz y electrones libres se llama difusin Thomson.[]

La magnitud relativa de la interaccin electromagntica entre dos partculas cargadas, tales como un electrn y unprotn, viene dada por la constante de estructura fina. Esta constante es una cantidad adimensional y representa laproporcin entre dos energas: la energa electrosttica de atraccin (o repulsin) en una separacin de una longitudde onda de Compton, y el resto de energa de la carga. Tiene un valor de 7,297353 10-3, que equivaleaproximadamente a 1/137.[66]

Cuando colisionan electrones y positrones se aniquilan unos a otros y dan lugar a dos o ms fotones de rayos gamma.Si el electrn y el positrn tienen una cantidad de movimiento despreciable se puede formar un positronio antes deque la aniquilacin resulte en dos o tres fotones de rayos gamma de un total de 1.022 MeV.[98][99] Por otro lado , losfotones de alta energa pueden transformarse en un electrn y un positrn mediante el proceso conocido comocreacin de pares, pero slo con la presencia cercana de una partcula cargada, como un ncleo.[100][101]

Segn la teora de la interaccin electrodbil, la componente izquierdista de la funcin de onda del electrn forma undoblete de isospn dbil con el neutrino electrnico. Esto significa que, durante las interacciones dbiles, losneutrinos electrnicos se comportan como si fueran electrones. Cualquiera de los miembros de este doblete puedensufrir una interaccin de corriente cargado emitiendo o absorbiendo un W y ser absorbidos por el otro miembro. Lacarga se conserva durante esta reaccin porque el bosn W tambin lleva una carga, por lo que se cancela cualquiercambio neto durante la transmutacin. Las interacciones de corriente cargadas son responsables del fenmeno de ladesintegracin beta en un tomo radiactivo. Finalmente, tanto el electrn como el neutrino electrnico pueden sufriruna interaccin de corriente neutral mediante un intercambio de Z0. Este tipo de interacciones son responsables de ladifusin elstica neutrino-electrn.[]

tomos y molculasUn electrn puede estar enlazado al ncleo de un tomo por la fuerza de atraccin de Coulomb. Un sistema de uno oms electrones enlazados a un ncleo se denomina tomo. Si el nmero de electrones es diferente a la carga elctricadel ncleo, entonces el tomo se llama ion. El comportamiento similar al de una onda de un electrn enlazado sedescribe por una funcin llamada orbital atmico. Cada orbital tiene su propio conjunto de nmeros cunticostales como energa, momento angular y proyeccin del momento angular y slo existe un conjunto discreto deestos orbitales alrededor del ncleo. Segn el principio de exclusin de Pauli, cada orbital puede ser ocupado hastapor dos electrones, los cuales no pueden tener el mismo nmero cuntico de espn.Los electrones se pueden transferir entre diferentes orbitales mediante la emisin o absorcin de fotones con unaenerga que coincida con la diferencia de potencial.[102] Otros mtodos de transferencia orbital son las colisiones conpartculas y el efecto Auger.[103] Para poder escapar del tomo, la energa del electrn se incrementar por sobre laenerga que le liga al tomo. Esto ocurre, por ejemplo, en el efecto fotoelctrico, en el que un fotn incidente quesupera la energa de ionizacin del tomo es absorbido por el electrn.[]

El momento angular orbital de los electrones est cuantificado. Como el electrn est cargado, produce un momento magntico orbital proporcional al momento angular. El momento magntico neto de un tomo equivale al vector suma de los momentos magnticos de espn y orbitales de todos los electrones y el ncleo. El momento magntico del ncleo es despreciable comparado con el de los electrones. Los momentos magnticos de los electrones que

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ocupan el mismo orbital (que se llaman electrones apareados) se simplifican entre s.[104]

El enlace qumico entre tomos existe como resultado de las interacciones electromagnticas, tal como describen lasleyes de la mecnica cuntica.[105] Los enlaces ms fuertes estn formados por la comparticin o la transferencia deelectrones entre tomos, lo que permite la formacin de molculas.[15] Dentro de una molcula, los electrones semueven bajo la influencia de muchos ncleos y ocupan orbitales moleculares, de igual manera que pueden ocuparorbitales atmicos en tomos aislados.[106] Un factor fundamental de estas estructuras moleculares es la existencia depares de electrones: se trata de electrones con espines opuestos, lo que les permite ocupar el mismo orbital molecularsin violar el principio de exclusin de Pauli (igual que ocurre en el tomo) . Los diferentes orbitales molecularestienen una distribucin espacial distinta de la densidad de electrones. Por ejemplo, en pares enlazados (es decir, enlos pares que enlazan tomos juntos) los electrones se pueden encontrar con mayor probabilidad en un volumenrelativamente pequeo alrededor del ncleo. Por otro lado, en pares no enlazados los electrones estn distribuidos enun volumen grande alrededor del ncleo.[107]

Conductividad

Un rayo consiste bsicamente de un flujo deelectrones.[108] El potencial elctrico necesariopara que exista el rayo puede ser generado para

un efecto triboelctrico.[109][110]

Si un cuerpo tiene ms o menos electrones de los necesarios paraequilibrar la carga positiva del ncleo, entonces este objeto tiene unacarga elctrica neta. Cuando hay un exceso de electrones, se dice queeste objeto est cargado negativamente, por otra parte, cuando hay undefecto de electrones (menos electrones que protones en el ncleo), sedice que este objeto est cargado positivamente. Cuando el nmero deprotones y de electrones son equivalentes, las cargas se cancelan y sedice que el objeto es elctricamente neutro. En un cuerpomacroscpico puede aparecer una carga elctrica si se frota, lo que seexplica por el efecto triboelctrico.[111]

Los electrones independientes que se mueven en el vaco se llamanelectrones libres. Los electrones de metales se comportan como sifueran libres. En realidad, las partculas de los metales y otros slidosque se denominan normalmente electrones son quasielectrones(quasipartculas): tienen la misma carga elctrica, espn y momentomagntico que los electrones reales pero pueden tener una masadiferente.[112] Cuando los electrones libres tanto en el vaco como en un metal se mueven, producen un flujoneto de carga llamado corriente elctrica que genera un campo magntico. De la misma manera, se puede crear unacorriente elctrica mediante un campo magntico variable. Estas interacciones son descritas matemticamente por lasecuaciones de Maxwell.[113]

A una temperatura dada, cada material tiene una conductividad elctrica que determina el valor de la corrienteelctrica cuando se aplica un potencial elctrico. Algunos ejemplos de buenos conductores son los metales como elcobre y el oro, mientras que el vidrio y el tefln son malos conductores. En cualquier material dielctrico, loselectrones permanecen enlazados a sus respectivos tomos y el material se comporta como un aislante. La mayorade semiconductores tienen un nivel variable de conductividad que est entre los extremos de conductor yaislante.[114] Por otra parte, los metales poseen una estructura de banda electrnica que contiene bandas electrnicasrellenadas parcialmente. La presencia de estas bandas permite a los electrones de los metales comportarse como sifueran electrones libres o desapareados. Estos electrones no se asocian con tomos especficos, por lo que, cuando seaplica un campo elctrico, tienen libertad de movimiento a travs del material como si fueran un gas (lo que sedenomina como gas de Fermi)[115] igual que si fueran electrones libres.

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Debido a las colisiones entre electrones y tomos, la velocidad derivada de los electrones en un conductor serepresenta por medio de los milmetros por segundo. Sin embargo, la velocidad a la que un cambio de corriente enun punto del material causa cambios en las corrientes de otras partes del material (velocidad de propagacin) sueleser un 75% de la velocidad de la luz.[116] Esto explica porqu los impulsos elctricos se propagan en forma de onda,su velocidad depende de la constante dielctrica del material.[117]

Los metales son unos conductores del calor relativamente buenos, bsicamente porque los electrones deslocalizadosse encuentran libres para transportar energa trmica entre tomos. Sin embargo, a diferencia de la conductividadelctrica, la conductividad trmica de un metal es casi independiente de la temperatura. Esto se expresamatemticamente por la ley de Wiedemann-Franz,[115] que postula que la proporcin de la conductividad trmicacon respecto a la conductividad elctrica es proporcional a la temperatura. El desorden trmico de la red metlicaincrementa la resistividad elctrica del material, lo que produce una dependencia de la temperatura por la corrienteelctrica.[]

Cuando los materiales se enfran por debajo de un punto llamado punto crtico pueden sufrir un cambio de fase en elque pierden toda la resistividad a la corriente elctrica, en un proceso que se conoce como superconductividad. En lateora BCS, este comportamiento se modela con pares de electrones que entran en un estado cuntico conocido comocondensado de Bose-Einstein. Estos pares de Cooper[118] tienen su movimiento emparejado en materia cercanamediante vibraciones de la red conocidas como fonones[119] y, de esta manera, evitan las colisiones con tomos; deno ser as, se creara resistencia elctrica.Sin embargo, el mecanismo por el cual operan los superconductores de altatemperatura permanece incierto.Cuando se confinan con firmeza los electrones dentro de slidos conductores que son quasipartculas atemperaturas cercanas al cero absoluto, se comportan como si se dividieran en dos otras quasipartculas: espinones yholones.[120][121] El primero es el que se encarga del espn y del momento magntico, mientras que el segundo llevala carga elctrica.

Movimiento y energaSegn la teora de la relatividad especial de Einstein, cuando la velocidad de un electrn se aproxima a la velocidadde la luz, desde el punto de vista de un observador, su masa relativstica incrementa, lo que hace que sea ms y msdifcil acelerarlo dentro del marco de referencia del observador. La velocidad del electrn se puede aproximar, peronunca llegar a la velocidad de la luz en el vaco, c. Sin embargo, cuando los electrones relativsticos es decir,electrones que se mueven a una velocidad cercana ac insertados en un medio dielctrico como el agua en el quela velocidad local de la luz es mucho menor que c viajan temporalmente ms rpido que la luz en este medio.Mediante su interaccin con el medio generan una luz tenue que se llama radiacin de Cherenkov.[122]

Los efectos de la relatividad especial se basan en una cantidad conocida como el factor de Lorentz, que se definecomo , donde v es la velocidad de la partcula. La energa cintica (Ec) de un electrn que se muevea velocidad v es:

donde me es la masa del electrn. Por ejemplo, el acelerador lineal de Stanford puede acelerar un electrn hastaaproximadamente unos 51 GeV.[123] Como un electrn se comporta como una onda, donde determinada velocidadposeer una longitud de onda de De Broglie que viene dada por e=h/p, donde h es la constante de Planck y p es lacantidad de movimiento.[49] Para el electrn de 51 GeV mencionado anteriormente, la longitud de onda obtenida esde aproximadamente 2,4 10-17 m, lo suficientemente pequea para poder explorar estructuras de tamao muyinferior a la del ncleo atmico.[124]

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FormacinLa teora del Big Bang es la teora cientfica ms aceptada para explicar las primeras etapas de la evolucin deluniverso.[125] Durante el primer milisegundo del Big Bang, las temperaturas estaban por encima de 1010 K y losfotones tenan unas energas medias superiores a un milln de eV. Estos fotones eran suficientemente energticospara poder reaccionar unos con otros con tal de formar pares de electrones y positrones. Del mismo modo, los parespositrn-electrn sse aniquilaron los unos a otros y emitieron fotones energticos:

+ e+ + e-Durante esta fase de la evolucin del Universo se mantuvo un equilibrio entre los electrones, los positrones y losfotones. Despus de que hubieran pasado 15 segundos, la temperatura del Universo baj por debajo del lmite quepermita la formacin de electrones-positrones. La mayora de las partculas que sobrevivieron se aniquilaron unas aotras liberando radiacin gamma, la cual recalent brevemente el Universo.[126]

Por razones que todava permanecen inciertas, durante el proceso de leptognesis hubo un exceso de nmero deelectrones respecto al de positrones.[127] Es por ello que alrededor de un electrn por cada millardo sobrevivieron alproceso de aniquilacin. Este exceso coincida con el de protones respecto al de antiprotones (condicin que seconoce como asimetra barinica), lo que resulta en una carga neta del Universo nulo.[128][129] Los neutrones yprotones que sobrevivieron comenzaron a participar en reacciones los unos con otros en un proceso conocido comonucleosntesis, en el que se formaban istopos de hidrgeno y helio con trazas de litio. Este proceso alcanz sumximo despus de ms o menos cinco minutos.[130] Todos los neutrones sobrantes sufrieron una desintegracinbeta negativa con una semivida de un millar de segundos; durante este proceso se liberaron un protn y un electrnpor cada neutrn:

n p + e- + -eDurante los 300.000-400.000 aos siguientes, el exceso de electrones todava era demasiado energtico para poderenlazarse con los ncleos atmicos.[131] Lo que sigui a este periodo se conoce como recombinacin: es decir, seformaron tomos neutrales y el Universo en expansin se convirti transparente a la radiacin.[]

Ms o menos un milln de aos despus del Big Bang se empez a formar la primera generacin de estrellas.[]

Dentro de una estrella, la nucleosntesis estelar tiene como resultado la produccin de positrones a partir de la fusinde ncleos atmicos. Estas partculas de antimateria se aniquilan inmediatamente con electrones, lo que libera rayosgamma. El resultado neto es una reduccin firme del nmero de electrones y un correspondiente incremento delnmero de neutrones. Sin embargo, el proceso de evolucin estelar puede resultar en la sntesis de istoposradiactivos. Algunos istopos pueden sufrir una desintegracin beta negativa por la que emiten un electrn y unantineutrn del ncleo.[132] Un ejemplo de ello es el istopo cobalto-60 (60Co), que se desintegra para formarnquel-60 (60Ni).[133]

Al final de su ciclo de vida, una estrella de ms de unas 20 masas solares puede sufrir un colapso gravitatorio yformar un agujero negro.[134] Segn la fsica clsica, estos objetos estelares masivos ejercen una atraccingravitatoria lo suficientemente fuerte como para impedir que nada ni siquiera la radiacin electromagnticaescape ms all del radio de Schwarzschild. Sin embargo, se cree que los efectos mecnico-cunticos podranpermitir que se emitiera radiacin Hawking a esa distancia. Tambin se piensa que se crean electrones (y positrones)en el horizonte de eventos de estas estrellas remanentes.Cuando se crean pares de partculas virtuales (tales como el electrn y el positrn) en las inmediaciones delhorizonte de eventos, la distribucin espacial aleatoria de estas partculas puede permitir que una de ellas aparezca enel exterior: este proceso se conoce como efecto tnel. El potencial gravitatorio del agujero negro puede entoncesaportar la energa que transforma esta partcula virtual en una partcula real, lo que permite que sea radiada hacia elespacio.[135] A cambio de esto, el otro miembro del par recibe energa negativa, lo que resulta en una prdida neta demasa-energa del agujero negro. La tasa de radiacin de Hawking incrementa cuando la masa decrece, lo que llevafinalmente a la evaporacin del agujero negro hasta que, al final, explota.[136]

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Los rayos csmicos son partculas que viajan por el espacio con altas energas. Se han documentado eventos deenergas tan altas como de 3,0 1020 eV.[137] Cuando estas partculas colisionan con nucleones de la atmsferaterrestre, se genera una cascada de partculas, entre ellas piones.[138] Ms de la mitad de la radiacin csmicaobservada desde la superficie de la Tierra consiste en muones. Estas partculas, los muones, son leptones producidosen la atmsfera superior a partir de la desintegracin de piones:

- + A su vez, un muon se puede desintegrar para formar un electrn o un positrn:[139]

e- + e +

ObservacinLa observacin remota de electrones requiere la deteccin de su energa radiada. Por ejemplo, en ambientes de altaenerga tales como una corona estelar los electrones libres forman plasma que radia energa debido a la radiacin defrenado. El gas de electrones puede sufrir una oscilacin de plasma, que consiste en ondas causadas por variacionessincronizadas de la densidad electrnica que producen emisiones energticas que se pueden detectar usandoradiotelescopios.[140]

La frecuencia de un fotn es proporcional a su energa. Cuando un electrn enlazado se mueve entre diferentesniveles de energa del tomo, este absorbe o emite fotones a frecuencias caractersticas. Por ejemplo, cuando lostomos son irradiados por una fuente con un espectro amplio, aparecen diferentes lneas de absorcin en el espectrode la radiacin transmitida. Cada elemento o molcula muestra un conjunto caracterstico de lneas espectrales (tal ycomo en el caso de las lneas espectrales del hidrgeno). Las medidas espectroscpicas de la magnitud y amplitud deestas lneas permite determinar la composicin y las propiedades fsicas de una sustancia.[141][142]

En condiciones de laboratorio, las interacciones de electrones individuales se pueden observar mediante detectoresde partculas, los cuales permiten medir propiedades especficas tales como energa, espn y carga.[] El desarrollo dela trampa de Paul y de la trampa de Penning posibilita tener partculas cargas contenidas dentro de una pequearegin durante largas duraciones de tiempo, lo que permite realizar medidas precisas de las propiedades de laspartculas. Por ejemplo, una vez una trampa de Penning fue utilizada para contener un solo electrn durante unperodo de 10 meses.[143] El momento magntico del electrn fue medido con una precisin de once dgitos, lo cual,en 1980, fue de una precisin mayor que la de cualquier otra constante fsica.[144]

Las primeras imgenes en vdeo de la distribucin de energa de un electrn fueron grabadas por un equipo de laUniversidad de Lund (Suecia) en febrero de 2008. Los cientficos usaron flashes de luz extremadamente cortosllamados pulsos de Attosegon los cuales permitieron observar el movimiento de un electrn por primeravez.[145][146] La distribucin de los electrones en materiales slidos se puede visualizar mediante la espectroscopiade fotoemisin resuelta en ngulo (ARPAS, en sus siglas en ingls). Esta tcnica utiliza el efecto fotoelctrico paramedir el espacio recproco (una representacin matemtica de estructuras peridicas que se utiliza para inferir laestructura original). El ARPES se puede usar para determinar la direccin, velocidad y difusin de los electronesdentro del material.[147]

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Aplicaciones del plasma

Un haz de electrones es dirigido hacia unamaqueta del transbordador espacial dentro de un

tnel de viento de la NASA para simular el efectode ionizacin de los gases durante la reentrada

atmosfrica.[148]

Haces de partculas

Los haces de electrones se utilizan para llevar a cabo la soldadura porhaz de electrones,[149] la cual permite conseguir densidades energticasde hasta 107 Wcm-2 en una regin de dimetro de un rango tanpequeo como de 0,1-1,3 mm; adems, normalmente no requieredisponer de ningn material de aportacin. Esta tcnica de soldadura selleva a cabo en el vaco, de tal forma que el haz de electrones nointeraccione con el gas antes de llegar al objetivo. Se usa para juntarmateriales conductores que, de otra manera, no podran sersoldados.[150][151]

La litografa por haz de electrones (EBL, en su acrnimo en ingls) esun mtodo para grabar semiconductores a resoluciones ms pequeasque un micrmetro.[152] Las limitaciones de esta tcnica son el altocosto, el bajo rendimiento, la necesidad de operar el haz en el vaco yla tendencia de los electrones de dispersarse en slidos. Este ltimo problema limita la resolucin a ms o menos 10nm. Por esta razn, la litografa por haz de electrones se utiliza primordialmente para la produccin de pequeascantidades de circuitos integrados especializados.[153]

El tratamiento por haz de electrones se utiliza para irradiar materiales con tal de modificar sus propiedades fsicas,as como para esterilizar productos mdicos y alimenticios.[154] En radioterapia, los haces de electrones se generancon aceleradores lineales para tratar tumores superficiales. Como el haz de electrones slo puede penetrar hasta unaprofundidad determinada antes de ser absorbido normalmente hasta 5 cm por electrones de energas entre el rangode 5-20 MeV. La teleradioterapia mediante electrones es til para tratar lesiones de la piel tales como carcinomasbasocelulares. Un haz de electrones se puede utilizar para complementar el tratamiento de reas que han sidoirradiadas con rayos X.[155][156]

Los aceleradores de partculas hacen uso de los campos elctricos para propulsar los electrones y sus antipartculas aenergas elevadas. Cuando estas partculas pasan a travs de campos magnticos emiten radiacin sincrotrnica. Laintensidad de esta radiacin depende del espn, lo que causa la polarizacin del haz de electrones: este proceso seconoce como efecto Sokolov-Ternov. Los haces de electrones polarizados pueden ser tiles para diversos tipos deexperimentos. La radiacin sincrotrnica tambin se puede usar para enfriar los haces de electrones, lo que reduce ladispersin de cantidad de movimiento de las partculas. Cuando las partculas han acelerado a las energas necesariasse provoca una colisin de haces separados de electrones y positrones. Las emisiones de energa resultantes seobservan con detectores de partculas y se estudian en el campo de la fsica de partculas.[157]

Creacin de imgenesLa difraccin de electrones de baja energa (LEED, de sus siglas en ingls) es un mtodo que consiste en bombardearun material cristalino con un brote limitado de electrones y entonces observar los patrones de difraccin que resultancon tal de determinar la estructura del material. La energa necesaria para los electrones es del rango de 20 a 200eV.[158] La tcnica de difraccin de electrones reflejados de alta energa (RHEED, de sus siglas en ingls) utiliza lareflexin de un haz de electrones disparado a varios ngulos pequeos para caracterizar la superficie de materialescristalinos. La energa del haz suele estar en el rango de 8-20 keV y el ngulo de incidencia entre 1-4 .[159][160]

El microscopio electrnico dirige un haz localizado de electrones a un objeto. Cuando el haz interacciona con el material, algunos electrones cambian de propiedades como, por ejemplo, la direccin de movimiento, el ngulo, la fase relativa y la energa. Si se toma nota de estos cambios del haz de electrones, los microscopios pueden producir

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una imagen a nivel atmico del material.[161] Bajo luz azul, los microscopios pticos convencionales tienen unaresolucin limitada por la difraccin de unos 200 nm;[162] en comparacin, los microscopios electrnicos estnlimitados por la longitud de onda de De Broglie del electrn. Esta longitud de onda, por ejemplo, es de 0,0037 nmpor electrones que se aceleran en un potencial de 100.000 voltios.[163] El microscopio electrnico de transmisin deaberracin corregida es capaz de conseguir una resolucin por debajo de los 0,05 nm, que es ms que suficiente paraestudiar tomos individuales.[164] Esta capacidad convierte al microscopio electrnico en un instrumento delaboratorio muy til para formar imgenes de alta resolucin. Sin embargo, los microscopios electrnicos sonaparatos muy caros y costosos de mantener.Existen dos tipos principales de microscopios electrnicos: los de transmisin y los de rastreo. Los microscopioselectrnicos de transmisin funcionan de una manera similar que un retroproyector: un haz de electrones pasa atravs de una banda de material y entonces es proyectado mediante lentes en un film fotogrfico o un detector CCD.Por otra parte, los microscopios electrnicos de barrido producen la imagen mediante el rastreo de un haz deelectrones localizado a lo largo de la muestra estudiada. La magnificacin va desde 100 hasta 1,000,000 o mspara ambos tipos de microscopios. Finalmente, el microscopio de efecto tnel se basa en el efecto tnel de electronesque circulan entre un electrodo afilado y el material estudiado para generar imgenes de resolucin atmica de susuperficie.[165][166][167]

Otras aplicacionesEn el lser de electrones libres (FEL, de las siglas en ingls) se hace pasar un haz de electrones relativistas a travsde un par de onduladores que contienen matrices de imanes dipolares, que se caracterizan por poseer camposmagnticos con direcciones alternadas. Los electrones emiten radiacin sincrotrn que, a su vez, interaccionacoherentemente con los mismos electrones. Esto conduce a una fuerte amplificacin del campo de radiacin a lafrecuencia de resonancia. El FEL puede emitir una radiacin electromagntica coherente de alto brillo con un anchorango de frecuencias que va desde las microondas hasta los rayos X suaves. Estos aparatos podran utilizarse en unfuturo para tareas de fabricacin, comunicacin y tambin para aplicaciones mdicas tales como ciruga de tejidosblandos.[168]

Los electrones se encuentran en el corazn de los tubos de rayos catdicos, que han sido muy utilizados comoaparatos de visualizacin de instrumentos de laboratorio, monitores de ordenador y televisores.[169] En un tubofotomultiplicador, cada fotn que choca con el fotoctodo inicia una avalancha de electrones que produce un pulsode corriente detectable.[170] Los tubos de vaco utilizan el flujo de electrones para manipular seales elctricas;tuvieron un papel esencial en el desarrollo de la tecnologa electrnica. Sin embargo, actualmente ya han sidoreemplazados por aparatos de estado slido tales como el transistor.[171]

Enlaces externos Wikcionario tiene definiciones para electrn.Wikcionario Wikiquote alberga frases clebres de o sobre Electrn. Wikiquote

Fuentes

Notas[5] La versin fraccional del denominador es el inverso del valor decimal (junto con su incertidumbre estndar relativa de 4.21013 u).[7][7] La carga del electrn representa una carga elemental de tipo negativo, difiriendo en el caso del protn; cuando adquiere un valor positivo.[8] P.J. Mohr, B.N. Taylor, y D.B. Newell (2011), "The 2010 CODATA Recommended Values of the Fundamental Physical Constants" (Versin

web 6.0). Este artculo fue desarrollado por J. Baker, M. Douma, y S. Kotochigova. Disponible: http:/ / physics. nist. gov/ constants [Jueves,02-Jun-2011 21:00:12 EDT]. National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, MD 20899.

[13] Dahl (1997:122185).[27] Dahl (1997:5558).

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[30] Dahl (1997:6478).[32][32] Dahl (1997:99).[36] Buchwald and Warwick (2001:9091).[38][38] Original publication in Russian:[66][66] La fuente principal para el CODATA es

Las constantes fsicas individuales del CODATA se encuentran disponibles en:[70][70] Esta magnitud se obtiene del nmero cuntico del espn cuando

UNIQ-math-0-0bb88b859ae56251-QINUPara el nmero cuntico s = 1/2.Vase:

[72][72] : UNIQ-math-1-0bb88b859ae56251-QINU[74] El radio clsico del electrn se obtiene de la siguiente manera: se asume que la carga del electrn est distribuida uniformemente en un

volumen esfrico. Como parte de la esfera repeler las dems partes, puesto que la esfera contiene energa potencial electrosttica. Estaenerga es igual a la energa en reposo del electrn, definida por la relatividad especial (E = mc2). A partir de la teora de la electrosttica, laenerga potencial de una esfera con radio r y carga e vienen dados por:

UNIQ-math-2-0bb88b859ae56251-QINUdonde0 es la permitividad del vaco. Para un electrn de masa en reposo m0, la energa en reposo equivale a:

UNIQ-math-3-0bb88b859ae56251-QINUdonde c es la velocidad de la luz en el vaco. Igualando las expresiones y despejando r se obtiene el radio clsico del electrn.Vase:

[82][82] .[88][88] Munowitz (2005:140).[90][90] Munowitz (2005:160).[92] La radiacin de electrones no relativstica a veces se denomina radiacin ciclotrn.[96] El cambio de longitud de onda, , depende del ngulo de retroceso, , tal y como se aprecia aqu,

UNIQ-math-4-0bb88b859ae56251-QINUdonde c es a velocidad de la luz en el vaco y me es la masa del del electrn. Vase Zombeck (2007: 393, 396).

Referencias

Otros enlaces Particle Data Group (http:/ / pdg. lbl. gov/ ) Haz de electrones en campo magntico y elctrico cruzados (http:/ / www. bigs. de/ BLH/ en/ index.

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Fuentes y contribuyentes del artculo 18

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