電子泡沫

電子泡沫（Electron bubble）是在低溫氣體或液體（如氖氣或氦氣）中的自由電子周圍產生的空白空間。它們通常非常小，在大氣壓下直徑約為2nm。

氦中的電子泡沫

在室溫下，惰性氣體中的電子自由移動，僅受與弱相互作用原子碰撞的影響。它們的遷移率取決於氣體的密度和溫度，這已經通過經典動力學理論較好地描述。隨着溫度的降低，電子遷移率會降低，因為氦原子在低溫下會減慢移動速度，並且不常與電子進行相互作用。[1]

在臨界溫度以下，電子的遷移率迅速下降到遠低於經典預期的值。這種差異導致了電子氣泡理論的發展。[2] 在低溫下，注入液氦的電子不會像人們期望的那樣自由移動，而是在自身周圍形成小的真空氣泡。

氦表面的電子排斥

由於氦氣和液相之間的介電常數的差異，電子被液氦吸引。負電子使表面的氦極化，導致鏡像電荷（image charge）將其與表面結合。由於氫原子較為穩定，電子不能進入液體中。電子和鏡像電荷形成一種約束狀態，就像電子和質子在氫原子中一樣，具有最小的平均間隔。在這種情況下，最小能量約為 1eV（原子尺度上適量的能量）。[3] 當電子被迫進入液氦而不是漂浮在其表面時，它會形成氣泡而不是進入液體。氣泡的大小由三個主要因素決定（忽略較小的修正）：限制項（confinement term）、表面張力項和壓力-體積項。限制項是純粹的量子力學，因為每當電子被嚴格約束時，其動能就會上升。表面張力項代表液氦的表面能，這就像水和所有其他液體一樣。壓力-體積項是將氦氣推出氣泡所需的能量。[4]

$E\approx {\frac {h^{2}}{8mR^{2}}}+4\pi R^{2}\alpha +{\frac {4}{3}}\pi R^{3}P$

這裡E是氣泡的能量，h是普朗克常數，m是電子質量，R是氣泡半徑，α是表面能，P是環境壓力。

2S電子泡沫

根據對上述方程的分析，對2S電子泡沫在廣泛的環境壓力下表現出驚人的形態不穩定性進行了理論預測。雖然其波函數是球形的，但氣泡的穩定形狀是非球形的。[5]

外部連結

• Quantum bubbles are the key (新聞稿). New Scientist. 25 November 2005 [2020-07-18]. （原始內容存檔於2020-07-19）. 

參考資料

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