Введение

Электронный пузырь — это область пониженной плотности, образующаяся вокруг свободного электрона в криогенном газе или жидкости, например, в неоне или гелии. Обычно они очень малы, около 2 нм в диаметре при атмосферном давлении.

Электронные пузырьки в гелии

При комнатной температуре электроны в благородных газах свободно перемещаются, ограничиваясь лишь столкновениями со слабо взаимодействующими атомами. Их подвижность, зависящая от плотности газа и температуры, хорошо описывается классической кинетической теорией. При понижении температуры подвижность электронов уменьшается, так как атомы гелия замедляются и реже взаимодействуют с электроном. Ниже критической температуры подвижность электронов резко падает до значения, значительно меньшего, чем предсказывает классическая теория. Это расхождение послужило основой для разработки теории электронных пузырей. При низких температурах электроны, внедрённые в жидкий гелий, не движутся свободно, как можно было бы ожидать, а образуют вокруг себя небольшие вакуумные пузыри.

Отталкивание электронов от поверхности гелия

Электроны притягиваются к жидкому гелию из-за разницы в диэлектрических проницаемостях между газовой и жидкой фазами гелия. Отрицательный электрон поляризует гелий на поверхности, что приводит к образованию заряда-изображения, который связывает его с поверхностью. Электрону запрещено проникать в жидкость по той же причине, по которой атомы водорода стабильны: квантовая механика. Электрон и заряд-изображение образуют связанное состояние, подобно электрону и протону в атоме водорода, с минимальным средним расстоянием между ними. В этом случае минимальная энергия составляет около 1 эВ (умеренное количество энергии в атомном масштабе) [3]. Когда электрон вынужденно помещается в жидкий гелий, а не оставаться на его поверхности, он образует пузырь, а не проникает в жидкость. Размер этого пузыря определяется тремя основными факторами (не учитывая малые поправки): термином локализации, термином поверхностного натяжения и термином объёмного давления. Термин локализации является чисто квантово-механическим, поскольку при сильном ограничении электрона его кинетическая энергия возрастает. Термин поверхностного натяжения представляет собой поверхностную энергию жидкого гелия; это аналогично воде и всем другим жидкостям. Термин объёмного давления – это количество энергии, необходимое для вытеснения гелия из пузыря. [4] Здесь E – энергия пузыря, h – постоянная Планка, m – масса электрона, R – радиус пузыря, α – поверхностная энергия, а P – внешнее давление.

Электронный пузырь 2S

На основе анализа приведенного выше уравнения было сделано теоретическое предсказание, что электронный пузырь 2S демонстрирует неожиданную морфологическую нестабильность в широком диапазоне внешних давлений. Несмотря на то, что его волновая функция сферическая, стабильная форма пузыря является не сферической.

Сноски

1 . - Да. - Да.
2 . - Да. - Да.
3 . - Да. - Да.
4 . - Да. - Да.
5 . - Да. - Да.