Bulle d'électrons - Electron bubble

Une bulle d'électrons est l'espace vide créé autour d'un électron libre dans un gaz ou un liquide cryogénique, tel que le néon ou l' hélium . Ils sont typiquement très petits, d'environ 2 nm de diamètre à pression atmosphérique.

Bulles d'électrons dans l'hélium

À température ambiante, les électrons des gaz nobles se déplacent librement, limités uniquement par des collisions avec les atomes en interaction faible. Leur mobilité , qui dépend de la densité et de la température du gaz, est bien décrite par la théorie cinétique classique . Au fur et à mesure que la température diminue, la mobilité électronique diminue, car les atomes d'hélium ralentissent à basse température et n'interagissent pas aussi souvent avec l'électron [1] .

En deçà d'une température critique, la mobilité des électrons chute rapidement à une valeur bien inférieure à ce que l'on attend classiquement. Cet écart a conduit au développement de la théorie des bulles électroniques [2] . À basse température, les électrons injectés dans l' hélium liquide ne se déplacent pas librement comme on pourrait s'y attendre, mais forment plutôt de petites bulles de vide autour d'eux.

Répulsion des électrons de la surface de l'hélium

Les électrons sont attirés par l'hélium liquide en raison de la différence des constantes diélectriques entre la phase gazeuse et liquide de l'hélium. L'électron négatif polarise l'hélium à la surface, conduisant à une charge d'image qui le lie à la surface . Il est interdit à l'électron de pénétrer dans le liquide pour la même raison que les atomes d' hydrogène sont stables: la mécanique quantique . L'électron et la charge d'image forment un état lié , tout comme le font un électron et un proton dans un atome d'hydrogène, avec une séparation moyenne minimale. Dans ce cas, l'énergie minimale est d'environ 1 eV (une quantité d'énergie modérée à l'échelle atomique) [3] .

Lorsqu'un électron est forcé dans l'hélium liquide plutôt que de flotter à sa surface, il forme une bulle plutôt que de pénétrer dans le liquide. La taille de cette bulle est déterminée par trois facteurs principaux (en ignorant les petites corrections): le terme de confinement, le terme de tension superficielle et le terme pression-volume. Le terme de confinement est purement mécanique quantique, car chaque fois qu'un électron est étroitement confiné, son énergie cinétique augmente. Le terme de tension superficielle représente l' énergie de surface de l'hélium liquide; c'est exactement comme l'eau et tous les autres liquides. Le terme pression-volume est la quantité d'énergie nécessaire pour pousser l'hélium hors de la bulle [4] .

Ici E est l'énergie de la bulle, h est la constante de Planck , m est la masse de l' électron , R est le rayon de la bulle, α est l'énergie de surface et P est la pression ambiante.

La bulle d'électrons 2S

Une prédiction théorique a été faite sur la base de l'analyse de l'équation ci-dessus [5] , que la bulle électronique 2S présente une instabilité morphologique surprenante sous une large gamme de pressions ambiantes. Alors que sa fonction d'onde est sphérique, la forme stable de la bulle n'est pas sphérique.

Notes de bas de page

  • 1. G. Ramanan et Gordon R. Freeman (1990). "Mobilités d'électrons dans les gaz d'hélium et d'azote de faible densité". Journal de physique chimique . 93 (5): 3120. Bibcode : 1990JChPh..93.3120R . doi : 10.1063 / 1.459675 .
  • 2. CG Kuper (1961). "Théorie des ions négatifs dans l'hélium liquide". Examen physique . 122 (4): 1007-1011. Bibcode : 1961PhRv..122.1007K . doi : 10.1103 / PhysRev.122.1007 .
  • 3. WT Sommer (1964). "L'hélium liquide comme barrière aux électrons". Lettres d'examen physique . 12 (11): 271-273. Bibcode : 1964PhRvL..12..271S . doi : 10.1103 / PhysRevLett.12.271 .
  • 4. MA Woolf et GW Rayfield (1965). "Énergie des ions négatifs dans l'hélium liquide par émission photoélectrique". Lettres d'examen physique . 15 (6): 235. Bibcode : 1965PhRvL..15..235W . doi : 10.1103 / PhysRevLett.15.235 .
  • 5. P. Grinfeld et H. Kojima (2003). "Instabilité des bulles d'électrons 2S". Lettres d'examen physique . 91 (10): 105301. Bibcode : 2003PhRvL..91j5301G . doi : 10.1103 / PhysRevLett.91.105301 . PMID   14525485 .

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