전자 거품

Electron bubble

전자 거품이란 네온이나 헬륨과 같은 극저온 가스나 액체에서 자유 전자 주위로 만들어진 빈 공간을 말한다. 그것들은 일반적으로 대기압에서 지름이 약 2nm 정도로 매우 작다.

헬륨의 전자 기포

상온에서, 고귀한 가스의 전자는 약하게 상호작용하는 원자와의 충돌에 의해서만 제한되어 자유자재로 움직인다. 기체 밀도와 온도에 따라 달라지는 그들의 이동성은 고전적인 운동 이론으로 잘 설명되어 있다. 온도가 낮아질수록 헬륨 원자는 낮은 온도에서 느려지고 전자와 자주 상호작용하지 않기 때문에 전자 이동성은 감소한다[1].

임계 온도 이하에서는 전자의 이동성이 분류적으로 기대되는 값보다 훨씬 낮은 값으로 빠르게 떨어진다. 이러한 불일치는 전자 거품 이론[2]의 발전으로 이어졌다. 낮은 온도에서 액체 헬륨에 주입된 전자는 예상대로 자유롭게 움직이지 않고 오히려 주위에 작은 진공 기포를 형성한다.

헬륨 표면으로부터의 전자 반발

전자는 헬륨의 기체와 액체 위상의 유전 상수의 차이로 인해 액체 헬륨에 끌린다. 음의 전자는 표면의 헬륨을 양극화시켜, 그것을 표면과 결합시키는 이미지 전하를 유도한다. 전자는 수소 원자가 안정적인 이유인 양자역학과 같은 이유로 액체로 들어가는 것이 금지된다. 전자와 이미지 전하가 수소 원자에서 전자와 양성자가 하듯이, 최소 평균 분리를 통해 결합 상태를 형성한다. 이 경우 최소 에너지는 약 1 eV(원자 눈금에서 적당한 양의 에너지)[3]이다.

전자가 표면에 떠 있는 것이 아니라 액체 헬륨에 강제로 들어가게 되면, 그것은 액체로 들어가는 것이 아니라 거품을 형성한다. 이 거품의 크기는 세 가지 주요 요인(작은 보정을 무시함), 구속 기간, 표면 장력 기간 및 압력 체적 기간으로 결정된다. 전자가 단단히 고정될 때마다 운동 에너지가 올라가기 때문에 구속 기간은 순전히 양자역학이다. 표면 장력 용어는 액체 헬륨의 표면 에너지를 나타낸다. 이것은 정확히 물과 다른 모든 액체와 같다. 압력 용적 조건은 거품[4]에서 헬륨을 밀어내는 데 필요한 에너지의 양이다.

여기서 E는 기포의 에너지, h는 플랑크의 상수, m은 전자 질량, R은 기포 반지름, α는 표면 에너지, P는 주변 압력이다.

2S 전자 거품

2S 전자 거품이 광범위한 주변 압력 하에서 놀랄만한 형태학적 불안정성을 보인다는 [5] 위의 방정식의 분석에 기초하여 이론적인 예측이 이루어졌다. 그것의 파동 기능은 구형이지만, 거품의 안정적인 형태는 비구형적이다.

각주

  • 1. G. Ramanan and Gordon R. Freeman (1990). "Electron Mobilities in Low Density Helium and Nitrogen Gases". Journal of Chemical Physics. 93 (5): 3120. Bibcode:1990JChPh..93.3120R. doi:10.1063/1.459675.
  • 2. C. G. Kuper (1961). "Theory of Negative Ions in Liquid Helium". Physical Review. 122 (4): 1007–1011. Bibcode:1961PhRv..122.1007K. doi:10.1103/PhysRev.122.1007.
  • 3. W. T. Sommer (1964). "Liquid Helium as a Barrier to Electrons". Physical Review Letters. 12 (11): 271–273. Bibcode:1964PhRvL..12..271S. doi:10.1103/PhysRevLett.12.271.
  • 4. M. A. Woolf and G. W. Rayfield (1965). "Energy of Negative Ions in Liquid Helium by Photoelectric Emission". Physical Review Letters. 15 (6): 235. Bibcode:1965PhRvL..15..235W. doi:10.1103/PhysRevLett.15.235.
  • 5. P. Grinfeld and H. Kojima (2003). "Instability of the 2S Electron Bubbles". Physical Review Letters. 91 (10): 105301. Bibcode:2003PhRvL..91j5301G. doi:10.1103/PhysRevLett.91.105301. PMID 14525485.

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