Unsere Welt ist komplizierter, als es auf den ersten Blick erscheinen mag. Und obwohl wir alle einfache Antworten auf schwierige Fragen lieben, erweisen sie sich selten als richtig. So entwickelte der englische Chemiker John Dalton zu Beginn des 19. Jahrhunderts eine neue Atomtheorie, die zwar nicht alle beobachteten Phänomene erklärte, aber neue Möglichkeiten im Verständnis der Verbindung von Atomen und der Bildung chemischer Substanzen vorwegnahm. Interessanterweise herrschte vor Dalton die Idee kleiner unteilbarer Teilchen, die von Demokrit und Leucipus vorgeschlagen wurde, in wissenschaftlichen Kreisen vor, aber das Atom war für die Wissenschaft lange Zeit nicht von Interesse. Und obwohl Dalton keinen Zweifel daran hatte, dass Atome unteilbar sind, wurde etwas beobachtet, das leichter zu sein schien als sie selbst. In jenen Jahren vertraten Physiker die Annahme, dass die elektrische Ladung aus einigen elektrischen Atomen und Analoga bestehe, und 1894 schlug der irische Physiker George Stoney vor, “das Atom der Elektrizität” als “Elektrizitätsatom” zu bezeichnen. Elektron. Seitdem ist viel Wasser unter die Brücke geflossen, und sogar mehr, als man erwarten würde. Kürzlich haben Forscher der Boston University eine neue Metallprobe entwickelt, bei der die Bewegung von Elektronen genauso fließt, wie Wasser durch ein Rohr fließt. Die neue Entdeckung könnte möglicherweise zur Entwicklung eines neuen Typs von elektronischen Geräten führen.
In der neuen Studie zeigten Physiker mit einem neuen atomdicken Material und einem innovativen neuen Bildgebungssystem, dass sich Elektronen wie Wasser verhalten können. Interessanterweise war die Hydrodynamik von Elektronen – also wie sie sich bewegen – lange Zeit ein wissenschaftliches Rätsel, da subatomare Teilchen schneller fliegen, als das menschliche Auge beobachten kann.
Was ist ein Elektron?
Tatsächlich ist die Frage, was das Elektron darstellt, gar nicht so einfach zu beantworten. Um zu verstehen, wie Wissenschaftler zu ihrer Existenz gekommen sind, wenden wir uns kurz der Geschichte zu.
Nachdem Stoney den Begriff “Elektron” ausgesprochen hatte, arbeiteten andere Wissenschaftler an Kathodenstrahlen – Strahlen, die von geladenen Platten in Glasröhren emittiert wurden, die praktisch luftleer waren. Im Laufe der Zeit entdeckte der britische Physiker William Crookes, dass diese Strahlen aus negativ geladener Materie bestehen.
Ein Durchbruch gelang 1897, als ein anderer britischer Physiker J.J. Thomson feststellte, dass Kathodenstrahlen – nichts anderes als ein Strom einzelner Teilchen mit den gleichen Massen und Ladungen. Mit einer Masse von etwa 1/1000 der Masse eines Wasserstoffatoms schienen sie winzig.
Und trotz der Tatsache, dass die Physiker nicht ganz verstanden haben, was diese seltsamen Subatome sind, wird der Begriff & # 171;-Elektron & # 187; wurde allgemein verwendet, und das Elektron selbst wurde als Ladungsträger positioniert. Gleichzeitig glaubte die wissenschaftliche Gemeinschaft bis 1905, dass es keine Atome gibt, aber das Atommodell, das aus den Entdeckungen von Rutherford abgeleitet wurde, hatte etwas Attraktives.
Beim klassischen Experiment mit Kathodenstrahlen wird der Strahl auf das breite Ende des Röhre (links in der Abbildung), mit Ausnahme der Bereiche, für die die Strahlen durch ein Metallkreuz blockiert werden.
Im Herzen des Atoms befand sich ein schwerer, positiv geladener Kern, um den sich winzige Elektronen drehten. Sie könnten denken, dass das Atom unser Sonnensystem im Miniaturformat ist, in dem der Kern als Sonne und Elektronen als Planeten fungieren.
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Aber trotz der Schönheit dieses Modells nehmen Physiker es heute als Modell des Atoms nicht ernst. Tatsache ist, dass alles, was sich in der Umlaufbahn bewegt, beschleunigt wird und ein Elektron, das sich mit Beschleunigung bewegt, Energie in Form von Licht verliert. Ende dieser & # 171; Verwirrung & # 187; mit einem Elektron stellte bekanntlich der junge Physiker Niels Bohr. Lesen Sie mehr über die Arbeit eines herausragenden Wissenschaftlers und mehr in diesem Artikel.
& # 171; Fluidity & # 187; Elektron
Wissenschaftler verstehen das Elektron heute also als stabiles negativ geladenes Elementarteilchen. Es gilt als fundamental und ist eine der wichtigsten Struktureinheiten der Materie. Es sollte auch beachtet werden, dass alle Elektronen gleich sind, egal zu welchem Atom sie gehören.
Zu den Haupteigenschaften von Elektronen gehört die Bildung von Elektronenhüllen von Atomen. Die Bewegung von Elektronen trägt in vielen Leitern zur Erzeugung von elektrischem Strom bei. Wenn sie beschleunigt werden, erzeugen Elektronen Röntgenstrahlen und ermöglichen es Physikern auch, die Struktur von Atomkernen zu studieren.
Aber wie sich herausstellte, können Elektronen noch etwas anderes tun. In einer neuen Studie, die in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht wurde, berichteten Wissenschaftler von der Entdeckung eines neuen Metalltyps , bei dem sich Elektronen flüssig bewegen – wie Wasser Wasser in einem Rohr – durch Wechselwirkung mit Quasiteilchen namens Phononen p>
Es wird angenommen, dass Phononen durch Schwingungen in der Kristallstruktur entstehen. Aber das ist, gelinde gesagt, nicht ganz üblich – in Metallen wirken Elektronen als separate Teilchen – das heißt, sie gewinnen nicht wie eine Gruppe an Schwung.
Ein Verbund aus Niob und Germanium (NbGe2), kleinen Kristallen eines neuen Materials, wird an einem Gerät befestigt, um das Verhalten einer neuen Elektron-Phonon-Flüssigkeit zu untersuchen. Der Einschub zeigt die Anordnung der Atome des Materials.
Dieses ungewöhnliche Verhalten von Elektronen, wie sich herausstellte, wird durch einen metallischen Supraleiter verursacht, der eine Synthese aus Niob und Germanium ist, genannt Diterelid – NbGe2 (Bild oben). Und obwohl angenommen wird, dass Elektronen & # 171; fließen & # 187; Durch Materialien bewegen sie sich normalerweise nicht wie eine Flüssigkeit entlang eines Leiters, sondern eher wie ein Gas und prallen von Verunreinigungen und Defekten im Leiter ab.
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Wozu könnte eine neue Entdeckung führen?
Wissenschaftler haben schon früher vermutet, dass ein hydrodynamischer Elektronenfluss, ähnlich einer Flüssigkeit, möglich ist, so Forscher der Das Weizmann-Institut entschied sich, dies mit einer einzigartigen Technik zur Abbildung von Elektronen zu testen, die wie Wasser fließen, das durch ein Rohr fließt. Ihr Erfolg ist der erste Fall der Bildgebung von 'flüssigem Elektronenfluss' , was zur Entwicklung neuer elektronischer Geräte führen könnte.
Für die Beobachtung der Physik wurde Graphen verwendet – ein an der Universität Manchester entwickeltes Nanomaterial mit einer Dicke von einem Kohlenstoffatom, das in außergewöhnlicher Reinheit gehalten werden kann .
Graphen ist ein revolutionäres Material des 21. Jahrhunderts. Es ist die stärkste, leichteste und leitfähigste Kohlenstoffverbindung.
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Professor Shahal Ilani und ein Team der Abteilung für Physik der kondensierten Materie des Instituts visualisierten dann den Elektronenfluss mit einem nanoskaligen Detektor, der aus einem Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Transistor aufgebaut war und die Eigenschaften der fließenden Elektronen mit beispielloser Empfindlichkeit anzeigen kann.
Unsere Technik ist mindestens 1000-mal empfindlicher als alternative Methoden; so können wir Phänomene darstellen, die bisher nur indirekt untersucht werden konnten“, sagt Dr. Joseph Sulpizio vom Team um Weizmann.
Das Team schuf nanoskalige “Kanäle”, die die fließenden Elektronen leiten sollten, und sah das Kennzeichen der hydrodynamischen Strömung: Genau wie Wasser in einem Rohr flossen Elektronen in Graphen schneller in der Mitte der Kanäle und verlangsamten sich an der Wände.
Elektrizität ist tatsächlich der Austausch von Elektronen in einem Strom, der Strom durch eine leitfähige Daher sind Bewegungselektronen angesichts der wachsenden Abhängigkeit der Gesellschaft von Elektrizität von großem Interesse für Technologieunternehmen.
Das Wissen, dass Elektronen die Struktur einer normalen Flüssigkeit nachahmen können, kann nun das Design elektronischer Geräte beeinflussen , auch unter denen, die weniger Stromverbrauch benötigen.
Der nächste Schritt besteht, wie die Forscher feststellen, darin, in dieser hydrodynamischen Region mithilfe von Elektron-Phonon-Wechselwirkungen nach anderen Materialien zu suchen. Das Physikerteam beschäftigt sich auch mit der Kontrolle elektronischer hydrodynamischer Flüssigkeiten in solchen Materialien und der Entwicklung neuer elektronischer Geräte. Die Zukunft – sowohl des Elektrons als auch unserer – wird also wahrscheinlich voller erstaunlicher Entdeckungen sein. Wir freuen uns darauf.