Elektroni

Yleistä

Elektronia merkitään tavallisesti e⁻. Elektronin antihiukkanen on positroni e⁺, joka on positiivista sähkövarausta lukuun ottamatta identtinen elektronin kanssa. Elektroni tuntee kaikki muut perusvuorovaikutukset paitsi vahvan vuorovaikutuksen eli värivoiman.
Mikäli elektronin massan ajatellaan johtuvan kokonaan sen sähköstaattisesta potentiaalienergiasta, voidaan sen säteelle klassisen sähköstatiikan ja suhteellisuusteorian perusteella laskea arvo (klassinen elektronin säde) r = 2,8179 · 10⁻¹⁵ m.
Elektronisäteily, jota kutsutaan myös katodisäteilyksi, on aineen atomeista ionisaatiossa irronneita elektroneja. Elektroniputket ja elektronimikroskooppi toimivat tyhjiössä lentävien elektronien avulla. Elektronisäteilyä syntyy myös neutronin ja monien radioaktiivisten ydinten hajotessa, missä tapauksessa siitä käytetään nimitystä beetasäteily.
Metalliatomeista uloimmat elektronit irtoavat helposti. Metallijohtimissa sähkövirta onkin juuri elektronien liikettä. Myös eristeaineista voi elektroneja irrota ja siirtyä kappaleesta toiseen etenkin niitä hangattaessa, jolloin kappaleet saavat staattisen sähkövarauksen. Kappale, johon täten syntyy elektronien vajaus, saa positiivisen varauksen, ja se, johon niitä on kertynyt ylimääräisiä, negatiivisen.
Elektroniikassa käytettyjen komponenttien toimintaa kuvaava teoria on nimeltään elektronifysiikka.
Elektronin löytäjänä pidetään brittiläistä fyysikkoa J. J. Thomsonia, joka vuonna 1896 todisti, että katodisäteily ei ole aaltoja vaan koostuu pienistä sähköllä varatuista hiukkasista. Jo sitä ennen oli kuitenkin elektrolyysiä koskevien tutkimustulosten perusteella arveltu, että on olemassa tietty pienin mahdollinen sähkövaraus, alkeisvaraus.

Elektronit ja kemia

Elektronit ovat atomien osasia. Atomin ydin koostuu protoneista ja neutroneista, elektronit taas liikkuvat ydintä ympäröivässä tilassa. Elektroneja voidaan kuvata asettamalla ne elektronikuorille. Neutraalissa atomissa elektroneja on yhtä paljon kuin protoneja. Ioneissa elektroneja on joko enemmän tai vähemmän kuin protoneja. Kovalenttisesti sitoutuneissa molekyyleissä osa uloimmista elektroneista on siirtynyt atomien yhteisiksi sitoen ne toisiinsa.
Atomin elektronikuorien rakenne on keskeistä alkuaineen kemiallisten ominaisuuksien kannalta. Atomeja kuvataan kuorimallin avulla. Jos uloimmalla elektronikuorella on vain muutama elektroni, ne on helppo ottaa pois ja aine on metalli. Jos taas täydestä elektronikuoresta puuttuu vain muutama elektroni, on aine epämetalli.

Elektronit ja sähkövirta

Elektronit ovat tavallisin sähkövirran kuljettaja. Kun tasavirtaa tuotetaan paristolla, siihen varastoitu sähkökemiallinen potentiaalienergia muuttuu elektronien liike-energiaksi. Elektronit lähtevät virtalähteen negatiivisesta navasta eli katodista ja kulkevat virtapiirin eri komponenttien kautta sen posiviitiselle navalle eli anodille. Johtimessa esiintyy energiapulsseja, jotka viime kädessä johtuvat energian kvantittumisesta.
Sähkövirran suunnaksi on aikoinaan määritelty positiivisen varauksen oletettu liikkumissuunta. Tästä määrittelystä pidetään yhä kiinni, vaikka todellisuudessa negatiivisesti varautuneet elektronit liikkuvat päinvastaiseen suuntaan.
Vaihtovirrassa elektronit eivät siirry pitkiä matkoja vaan kulkevat edestakaisin johtimessa. Vaihtovirtageneraattorin synnyttämä jännite saa kuitenkin aikaan, että näin tapahtuu samanaikaisesti kaikkialla johtimessa, joten tällä tavoin energia saadaan siirretyksi pitkänkin matkan päähän.