電子  electron
(電子)
  • 電子の重さ(質量)=9.1×10-28c
    電子の仲間(レプトン)・・・6個ある。
    1. 電荷を持たない(中性)
      1. 電子ニュートリノ
      2. ミューニュートリノ
      3. タウニュートリノ
    2. -1の電荷をもつ
      1. 電子(原子の構成要素)
      2. ミューオン(ミュー粒子)・・・電子の210倍の質量
      3. タウオン(タウ粒子)・・・電子の3500倍の質量

  • 電子は、化学結合、酸と塩基、酸化と還元などに関わっている。
  • 電子には一定の住所がある
    • 原子核のまわりに、内側から同心円状に1,2,3,4・・と「主殻」があり、電子の収容数はそれぞれ2,8,18,32・・電子は内側から順に埋まっていく。
    • 主殻はさらにいくつかの「副殻」に細分される。
    • たとえば主殻1には1個のs殻(1s)、主殻2には1個のs殻(2s)と3個のp殻(2pが3個)で合計8個(2+2×3=8)となる。
    • それぞれの副殻の電子収容数はすべて「2」である。
    主な生体元素の電子配置
    水素 H 1s1
    定員2の1s殻には1個、余り1席
    炭素 C 1s22s22p2
    1s殻には2、2s殻には2、定員が6の2p殻には2個、余り4個
    窒素 N 1s22s22p3
    酸素 O 1s22s22p4
    リ ン P 1s22s22p63s23p3
    硫黄 S 1s22s22p63s23p4
  • 原子の性質や化学反応で重要なのは、最も外側の電子(価電子)である。
  • 原子が最も安定しているのは最外殻の電子がちょうど満員になっている状態。sが2個とpが6個の時。
  • 原子は中性であるが、
    1. 電子を失うと正電荷を持つ陽イオン(カチオン)
      • たとえばNa+
    2. 電子を獲得すると負電荷をもつ陰イオン(アニオン)になる。
      • たとえばCl-




素粒子の1つ
  1. 電子はあらゆる原子や原子団の中に存在し、原子核のまわりに位置して殻構造を作っている。
  2. 静止質量:9.1093897(54)×10ー31kg
  3. 電荷:−1.60217733(49)×10ー19クーロン
  4. 原子の束縛を離れた電子は、『自由電子』と呼ぶ。
  5. 普通の電子はマイナスだが、電荷がプラスの電子も存在し『陽電子(ポジトロン)』と呼ばれる。

アンチバング効果・・電子物理の原理を実証
  • 電流として連続的に流れている電子は、必ず1個ずつ規則的に離れて存在している(アンチバング効果)。
    NTT基礎研究所の山本喜久主席研究員らの研究グループが物理の基本原理を実証することに世界で初めて成功した。
    この基本原理は40年以上も前に理論的に予言されていたが、実験で証明することが困難とされてきた。今回の成果でミクロの世界の原理を示す量子力学の考えが正しいことを確認できたことになる。
    電子は『フェルミ粒子』と呼ばれる素粒子の一種で、粒子同士が重なることが出来ないとされている。このため、電流の電子は、1個ずつ規則的な流れになる「アンチバング効果」と呼ばれる現象が起きる。研究グループではこの現象を実証するため、半導体製造技術を利用して実験に適した理想的な状態の電子を作り出し、1個ずつ存在することを確かめた。
    研究グループの実験手法はガリウムヒ素膜とアルミニウムガリウムヒ素膜の境界面に閉じこめられた電子を極低温下で集めて高密度の電流にし、2方向に分岐させる。それぞれの電流強度の相関を調べれば、電子が1個ずつ存在することが分かるとした。






スピンホール効果
  • 日立製作所の日立ケンブリッジ研究所(英国)は英米の研究機関と共同で、半導体に電気を通すと磁石に変わる『スピンホール効果』の観察に初めて成功した。
    通常の半導体は磁石の性質を持たない。
    ガリウム・ヒ素半導体の極細線に電気を通したところ、線の端面の発光ダイオードが放つ偏光(光の波長の傾き)が、磁石の影響で曲がる「スピンホール効果」を確認した。
    成果は2005年米物理学誌「フィジカルレビューレターズ」で発表。
    電子は「スピン」と呼ぶ自転に似た性質を持ち、その偏りによって磁石の性質を持つ。
    スピンホール効果は電気を流した材料の端面の極微細な領域だけが磁石になる現象。ロシアの学者が提唱し、世界中の研究者が実証を目指していた。


スピンを白金で検出
  • 「理化学研究所の大谷義近チームリーダーは、スピン(自転)と呼ぶ電子の性質に関する『スピンホール効果』と呼ばれる現象を白金で発生させ、電気的に検出することに成功した。成果は2007年4/13付けのフィジカルレビューレターズに掲載。
    研究チームは、幅80ナノb、厚さ4ナノbの白金の細線に電流を流して実験し、室温下で電気抵抗の変化として検出した。」

電子スピン
  • 電子はマイナスの電気(電荷)を持つ。
  • 同時に、磁石の性質(スピン)も併せ持つ。
  • 鉄やマンガンなどの金属原子内にある原子のスピンの向きがそろっていると磁石になる。






原子1個分
2011年、物質・材料研究機構は、材料表面の原子1個分の層について、電子の磁石のような性質であるスピン(回転)を分析することに成功した。
従来は原子数個分の層をまとめて計測してしまい、最表面の1個分だけを可能にしたのは世界初。成果はフィジカル・レビュー・レターズ(電子版)に掲載。
材料のスピンは最表面の1原子層と、2番目以降の内部の層とでは異なることがある。






2013年、NTTが発見したのは電子が半導体の中を動き回りながら立体的なスピンを作り出す現象で、「移動スピン共鳴」と名づけた。次世代の高速コンピューターの実現につながる。
東北大学の新田淳作教授と好田誠准教授、ドイツのポール・ドルーデ固体エレクトロニクス研究所との共同研究成果。
半導体の外側から一定の磁場と変動する磁場を加えると、半導体の中にある電子のスピンが3次元で動き回る電子スピン共鳴(ESR)と呼ぶ現象が起きる。
研究チームは、外部から磁場を加える代わりに、電子自体が磁場を作り出し、ESRを起こす現象を発見し「移動スピン共鳴」と名付けた。








電子が表面だけ速く動く
  • 2010年、電子が表面だけ速く動くトポロジカル絶縁体を、笹川崇男・東京工業大学准教授が単結晶の合成に成功。





電子出す細菌
「海中に生息する細菌が、栄養分から取りだした電子を海水中の鉄に放出する詳しいメカニズムを、新日本製鐵などが出資する海洋バイオテクノドジー研究所(釜石市)が日米韓カナダの共同グループと解明した。
細菌などの微生物から電流を取り出す「微生物電池」の開発につながる。
『シワネラ・オネイデンシス』という海中細菌で調べた。エネルギー源となる乳酸などから電子を取りだして海水中の鉄に放出する性質を持つ鉄還元細菌の一種。成果は米科学アカデミー紀要に掲載」



日本原子力研究開発機構、東京大学、京都産業大学、大阪大学のグループは、SPring-8を利用して、超伝導状態を引き起こす特殊な電子の動きを観察することに成功した。
SPring-8で発生させたX線を、ウランやアルミニウムなどでできあ金属板に照射した。出てくるエネルギーの大きさを調べると、電子の状態や動きが分かる。
研究グループは調べた電子が低温で動き、高温で動かなくなることを発見。電子の動きが見られた低温よりも、さらに温度を下げると超伝導現象が起きるという。



自然科学研究機構・分子科学研究所は、2008年4/17、韓国の成均館大学などと共同で超伝導状態を起こしているとみられる「重い電子」の観察に初めて成功した。シンクロトロン光を使った測定装置で実現した。
−230℃以上でも起きる高温超電導は、理論的に説明できず物理学のナゾとなっている。
木村真一・自然科学研究機構・分子科学研究所准教授らが観察したのはセリウム化合物の中の電子の動き。自由に動き回る伝導電子と、極狭い範囲しか動かない局在電子が結合し、伝導電子の100〜1000倍値度の重さの電子になっている。
シンクロトロンを使って発生させた高エネルギー状態の極端紫外線を照射し、叩き出される電子を計測した。スピードや方向を計測する装置に特定の電子を抜き出す装置を組み合わせた。
ノーベル物理学賞を受賞した米国のフィリプ・アンダーソン博士が、伝導電子と局在電子が力を及ぼし合う重い電子の状態を予想している。


の中の分子
2010年、理化学研究所や広島大学は、水溶液中にある分子の電子が動く軌道を観測することに成功した。
新技術はSPring-8から出る低エネルギーの軟エックス線を使う。厚さ150ナノbの窒化シリコンの薄膜を介して溶液に軟エックス線を当て、出てくる光を観測する。計測結果を解析すると電子の軌道が分かる。


直接観察
2010年、早稲田大学の新倉弘倫準教授らは、分子を構成する電子の空間分布(電子雲)を観察する技術を開発した。
化学反応中の電子雲の変化をリアルタイムで観察できるようになる。
JST(科学技術振興機構)のプロジェクト。
電子雲にはシグマ(σ)軌道とパイ(π)軌道がある。
新倉准教授らは、両軌道の形の区別、複数のσ軌道同士およびπ軌道同士の電子の波の位置(位相)を一度に観察できる技術を開発した。
実験では水素と窒素、二酸化炭素の分子を観察した。
発振時間が35フェムト秒(フェムト=1/ 1千兆)で、波長が400ナノbを800ナノbの2波長のレーザー光を使う。
レーザー光を分子に当てると電子が一度軌道から飛び出して元の軌道に戻り光を出す。2波長のレーザー光を時間間隔をずらしながら分子に当てると、発生する光の特性から電子雲の形を区別できる。
今回、電子雲の形は分かったが、寸法はまだ測定できていない。




状態の原子が観測された
アメリカ、アルゴンヌ国立研究所のヤン博士らは、従来の1000万倍というX線を数十フェムト秒間(フェムト=1/1000兆)、ネオンガスに照射した。すると、原子核のまわりにあった10個の電子が瞬時にすべてはぎ取られ、丸裸のネオン原子が観測できた。原子があたかも透明になったように見えるという。
nature2010/7/1




重さゼロの電子
2012年、広島大学の宮本孝治助教と木村昭夫准教授は超硬材料などに使うタングステンの表面で重さがゼロの電子を発見した。
ドイツのミュンスター大学との共同研究。
電子には質量があり、引力など周囲の影響で重さが現れる。
研究チームは、角度分解光電子分光という技術を使いタングステンの表面を流れる電子は見かけ上の重さ(有効質量)がゼロになり、もともと質量ゼロの光のように振る舞うことを見つけた。
スピンの角度を調べる別の技術で、スピンの向きが1方向にそろったまま電子が動くこともわかった。これまで表面で重さがゼロと確認されたのは原子核の影響が小さい「自由電子」だったが、タングステン表面の電子は原子核の引力を強く受けながら移動する「相関電子」。永久磁石や電気抵抗ゼロの超伝導の引き金になる例が確認されている。

撮影
2012年、東京工業大学の笹川崇男准教授ら国際共同チームは、物質の中で電子が集団で運動する様子をリアルタイムで撮影した。
米スタンフォード大学のX線自由電子レーザーを使った。
通常は絶縁体で光が当たった時に金属に変わるランタン・ストロンチウム・ニッケル酸化物で実験した。この物質に赤色のパルスレーザー光を50フェムト秒(50/1千兆)当て、電子の振る舞いを乱す。
次に、70フェムト秒のX線のパルスレーザー光をストロボとして当てながら乱れの回復を観察した。
電子の波には「振幅」「位相」「周期」がある。
光を当てると周期は変わらないが振幅と位相が変化した。
X線自由電子レーザーは兵庫県佐用町に完成している「SACLA」がある。




中性子ハロー・・・
中性子の一部が電子のように
  • 陽子と中性子が集まってできた原子核のまわりを周回する電子が薄い雲状に取り巻く、というのが教科書にのっている原子。
  • 原子核を構成する陽子にくらべて中性子が増えると、中性子の一部が電子の様に原子核の周りを雲の様に覆う現象が起きる(中性子ハロー)。
  • 1985年、リチウムで、中性子ハローが初めて見つかった。
  • 2009年、東京工業大学の中村隆司教授らがネオンで確認、
  • 2012年、マグネシウムで中村教授らが確認。
  • 中性子ハローは、中性子が原子核に入れる限界を超えてあふれ出す直前に現れる。

電気と磁気の相互作用
  • 電気は電子の電荷によって、磁気は「スピン」と呼ばれる性質によって生じる。
  • 物質中の電荷を動かすには電場を、スピンを動かすには磁場をかけるというのが物理の常識。
  • マルチフェロイック物質は、磁場をかけると電荷が移動し、「電気分極」が生じて電気がたまる。一方、電場をかけるとスピンが回転し、磁化が生じる。








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