Электронный пузырёк — это пустое пространство, создаваемое вокруг свободного электрона в криогенном газе или жидкости, например, неоне или гелии . Они обычно очень малы, около 2 нм в диаметре при атмосферном давлении.
При комнатной температуре электроны в благородных газах движутся свободно, ограничиваясь только столкновениями со слабо взаимодействующими атомами. Их подвижность , зависящая от плотности газа и температуры, хорошо описывается классической кинетической теорией . С понижением температуры подвижность электронов уменьшается, поскольку атомы гелия замедляются при более низкой температуре и не взаимодействуют с электроном так часто. [1]
Ниже критической температуры подвижность электронов быстро падает до значения, намного ниже ожидаемого классически. Это несоответствие привело к развитию теории электронного пузыря. [2] При низких температурах электроны, инжектированные в жидкий гелий, не движутся свободно, как можно было бы ожидать, а образуют вокруг себя небольшие вакуумные пузырьки.
Электроны притягиваются к жидкому гелию из-за разницы в диэлектрических постоянных между газовой и жидкой фазами гелия. Отрицательный электрон поляризует гелий на поверхности, что приводит к появлению 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 изображения образуют связанное состояние , так же как электрон и протон в атоме водорода, с минимальным средним разделением. В этом случае минимальная энергия составляет около 1 эВ (умеренное количество энергии в атомном масштабе)[3].
Когда электрон вдавливается в жидкий гелий, а не плавает на его поверхности, он образует пузырь, а не входит в жидкость. Размер этого пузырька определяется тремя основными факторами (игнорируя небольшие поправки): термином ограничения, термином поверхностного натяжения и термином давления-объема. Термин ограничения является чисто квантово-механическим, поскольку всякий раз, когда электрон плотно ограничен, его кинетическая энергия увеличивается. Термин поверхностного натяжения представляет собой поверхностную энергию жидкого гелия; это точно так же, как вода и все другие жидкости. Термин давления-объема представляет собой количество энергии, необходимое для выталкивания гелия из пузырька.[4]
Здесь E — энергия пузырька, h — постоянная Планка , m — масса электрона , R — радиус пузырька, α — поверхностная энергия, P — давление окружающей среды.
Теоретическое предсказание было сделано на основе анализа уравнения выше[5], что электронный пузырь 2S проявляет поразительную морфологическую нестабильность в широком диапазоне внешних давлений. Хотя его волновая функция сферическая, стабильная форма пузырька несферическая.
