Elektron, negaton, e, β ⁻ – trwała cząstka elementarna (lepton) będąca jednym z elementów atomu .

Elektron ma ładunek elektryczny równy e = −1,602 176 487(40)·10⁻¹⁹  C (ujemny ładunek elektryczny elementarny – stąd też nazwa negaton) i masę spoczynkową m_e≈9,10938·10⁻³¹  kg .

Rozmiary liniowe elektronu

Obecnie nie wiadomo, czy elektron ma jakąkolwiek strukturę wewnętrzną. Wielokrotnie powtarzane eksperymenty w największych akceleratorach, polegające na zderzaniu ze sobą przeciwbieżnych wiązek elektronów rozpędzonych do prędkości bliskich prędkości światła, nie dały argumentów za istnieniem struktury wewnętrznej. W zderzeniach traktowanych klasycznie elektron zachowuje się jak kulka o promieniu 2,817 940 2894 x 10^-15 m^[2] ( klasyczny promień elektronu ). Doświadczenia z pułapkowaniem elektronów w polu magnetycznym wykazały, że promień elektronu jest mniejszy niż 10⁻²² m^[3].

Historia odkrycia elektronu

Nazwę elektron wprowadził George Johnstone Stoney w 1891 , dla elementarnej jednostki elektryczności ujemnej w procesie elektrolizy . Jako cząstka posiadająca ładunek ujemny oraz masę elektron został zaobserwowany w roku 1897 przez J.J. Thomsona podczas badania własności promieniowania katodowego uznał, że promieniowanie katodowe jest strumieniem cząstek o ładunku ujemnym, które obecnie nazywamy elektronami.

W 1916 Gilbert Newton Lewis zauważył, że własności chemiczne atomów wynikają z oddziaływań elektronów zawartych w atomach.

Elektron w atomie

Pierwsze powłoki elektronowe w atomie wodoru. Jasność odpowiada prawdopodobieństwu znalezienia elektronu

Elektrony w atomach zajmują określony obszar w przestrzeni wokół stosunkowo małego dodatniego jądra . Obszary zajmowane przez elektrony nazywają się orbitalami . Orbitale z kolei zgrupowane są w powłoki elektronowe . Parametry każdego orbitalu (energia, kształt) zdeterminowane są przez energię elektromagnetycznego oddziaływania z jądrem atomu i pozostałymi elektronami oraz parametry elektronu. Rozmiary orbitali atomowych są rzędu 10^–10 m czyli dziesiątej części nanometra , ale dla stanów wzbudzonych mogą być kilkadziesiąt razy większe. Orbitale elektronowe są od 10 do 100 tysięcy razy większe od jądra atomowego, którego średnica wynosi od 10^–15 do 10^–14 m, co odpowiada długości femtometra .

Obojętny atom ma tyle samo protonów w jądrze (ładunek dodatni) co elektronów (ładunek ujemny). Atom może być zjonizowany w wyniku oderwania od niego elektronu, albo przez przyłączenie elektronu, wtedy liczba protonów jest różna od liczby elektronów. Dostarczenie energii z zewnątrz powoduje wzbudzenie elektronów do wyższych stanów, bądź jonizację atomu (oderwanie elektronu). Zwykle w procesach takich wzbudzane są tylko elektrony z najwyższych powłok zwanych walencyjnymi, jednak promieniowanie o dużej energii wzbudza lub odrywa od atomu elektrony z głębszych powłok (patrz np. ekscyton Mahana – osobliwość w widmie na krawędzi Fermiego, z ang. Fermi-edge singularity lub promieniowanie charakterystyczne ).

Zachowanie elektronów na powłokach atomowych determinuje własności atomów w reakcjach chemicznych.

Elektron w fizyce materii skondensowanej

Elektron odgrywa ogromną rolę w zjawiskach dotyczących materii skondensowanej . Wynika to przede wszystkim stąd, że oddziaływania elektromagnetyczne stanowią dominujący czynnik wpływający na własności układów fizycznych w zakresach energii i odległości charakterystycznych materii ciała stałego i cieczy.

Głównymi cząstkami biorącymi udział oddziaływaniach w fizyce materii skondensowanej są rdzenie atomowe oraz elektrony walencyjne i swobodne oraz dziury. Ze względu na to, że w fizyce materii skondensowanej, by uprościć opis ruchu elektronu lub dziury, pomija się ich oddziaływanie z polem rdzeni atomowych. Równocześnie, aby równania ruchu elektronu pozostawały prawdziwe, zamiast masy elektronu wprowadza się jego masą efektywną . Jest ona zwykle różna od masy elektronu swobodnego, a w materiałach anizotropowych masa efektywna jest tensorem .

W fizyce ciała stałego elektrony i oddziaływania elektromagnetyczne są odpowiedzialne za tworzenie się wiązań w kryształach, a tym samym wpływają na własności sieci krystalicznej.

Przez elektron w fizyce materii skondensowanej (dotyczy to zarówno materii miękkiej i fizyki ciała stałego) rozumie się zwykle kwazicząstkę o zrenormalizowanych własnościach (patrz np. ciecz Fermiego , ciecz Luttingera , stany Pankratowa, funkcja Blocha , masa efektywna ). Chcąc wyrażać się ściśle, należałoby mówić np. elektron w ciele stałym, jednak zwykle zakłada się, że fakt mówienia o kwazicząstce wynika z kontekstu, w jakim używa się sformułowania elektron.

Relacja dyspersji elektronu zależy od struktury pasmowej i modelu jaki używany jest do opisu konkretnego zjawiska. W najprostszych modelach przyjmuje się kwadratową zależność dyspersyjną (np. niektóre półprzewodniki) i wprowadza nieparaboliczne poprawki. W metalach, gdzie mamy do czynienia z częściowo wypełnionym pasmem przewodnictwa, bardzo często stosuje się model, w którym relacja dyspersji jest liniowa (liniowe rozwinięcie relacji dyspersji wokół powierzchni Fermiego).

Przybliżenie takie jest słuszne, gdy rozważane jest niskoenergetyczne wzbudzenia cząstka-dziura wokół powierzchni Fermiego.

Elektron w fizyce ciała stałego przedstawiany jest w różnych reprezentacjach. Podstawowymi z nich są

• funkcje Blocha
• funkcje Wanniera
• funkcje Luttingera

Efektami, w których manifestują się własności elektronowe w materii skondensowanej są tutaj tunelowanie elektronów wykorzystywane w układach półprzewodnikowych oraz skaningowym mikroskopie tunelowym , ale także wiele innych własności i zjawisk jak

• ferromagnetyzm , antyferromagnetyzm , diamagnetyzm
• nadprzewodnictwo .
• efekt ekscytonowy , polaron
• klasyczny efekt Halla , kwantowy efekt Halla , kwantowy ułamkowy efekt Halla

Elektron w mechanice kwantowej

Zjawiska zachodzące z udziałem elektronów zwykle należą do mechaniki kwantowej i jako takie podlegają zasadzie nieoznaczoności Heisenberga .

Elektron ma spin 1/2, jest więc zaliczany do fermionów i podlega statystyce Fermiego-Diraca . Wszystkie elektrony są całkowicie nierozróżnialne. Aby całkowicie opisać elektron, wystarczy podać jego stan kwantowy .

Antycząstką elektronu, tj. odpowiadającą elektronowi cząstką antymaterii , jest antyelektron, zwany krócej pozytonem (a często również elektronem dodatnim). Jeżeli spotka się elektron z antyelektronem dochodzi do anihilacji , w wyniku której ginie elektron i pozyton, a powstają dwa fotony promieniowania gamma (γ) o energii 0,511 MeV . Podczas zderzenia fotonu gamma o takiej lub większej energii może zajść zjawisko odwrotne: kwant gamma zostaje pochłonięty, a pojawia się pozyton i elektron.

Reakcje jądrowe z udziałem elektronu

Elektron może brać udział w reakcjach jądrowych. Elektron może być emitowany z jądra atomowego – nazywany jest wówczas promieniowaniem beta (β) a przemiana jądrowa rozpad beta minus . Wyemitowane cząstki beta mają bardzo dużą energię i zdolność jonizacji materii. Niektóre jądra atomowe emitują antyelektrony, przemiana ta to rozpad beta plus .

Jądro atomowe może też pochłonąć elektron, jest to zazwyczaj elektron z najniższej powłoki elektronowej, przemiana taka nazywana jest wychwytem elektronu .

Elektron w Teorii Standardowej i Modelu Standardowym

W Modelu Standardowym elektron jest cząstką elementarną pierwszej generacji i tworzy dublet z neutrinem elektronowym .

Elektron w klasyfikacji cząstek subatomowych jest zaliczany do leptonów . Elektron wchodzi w interakcje z innymi leptonami poprzez oddziaływania elektromagnetyczne i słabe .

Elektron w technice

Elektrony mogą swobodnie poruszać się w próżni , co jest wykorzystywane w próżniowych lampach elektronowych . W innych środowiskach (np. powietrzu ) ich ruch jest hamowany, bo przyłączają się do atomów substancji tworząc jony ujemne. W gazach szybko poruszające się elektrony mogą wywołać wzbudzenie atomu lub jego jonizację, a w konsekwencji emisję fotonów. Zjawisko to w przyrodzie jest przyczyną zorzy polarnej , zaś w technice znalazło zastosowanie w lampach wyładowczych (np. lampy jarzeniowe , tzw. świetlówki).

Zgodnie z teorią fal materii elektron może być postrzegany jako odpowiadająca mu fala materii. Może ona podlegać dyfrakcji i interferencji na przeszkodach. Ze względu na długość fali, znacznie mniejszą od długości fali świetlnej, elektrony nadają się doskonale jako czynnik przenoszący informację w mikroskopach. Mikroskop, w którym odpowiednikiem światła są elektrony, nazywa się mikroskopem elektronowym .

Makroskopowe zjawiska z udziałem elektronu

Elektrony poruszające się w sposób uporządkowany w określonym kierunku, np. w polu elektrycznym powstałym w wyniku przyłożenia napięcia elektrycznego , stanowią prąd elektryczny .

Przypisy