Elektron

Elektrik gücünün etkilerinin keşfi

Antik Yunanlar kürk ile sürtünmesi sonrasında kehribarın küçük nesneleri çektiğini fark ettiler. Bu fenomen, şimşekle birlikte insanlığın elektrikle kayıtlara geçmiş ilk deneyimiydi. William Gilbert, 1600'de yayımlanan De Magnete adlı eserinde, Latincede kehribar anlamına gelen ve Yunancada da aynı anlamı taşıyan ἤλεκτρον (elektron) electrum kelimesinden esinlenerek oluşturulan, sürtülünce küçük nesneleri çekme özelliğini tanımlayan Yeni Latince electricus kelimesini türetti. Thomas Browne'un 1646'da yayımlanan Pesudoxia Epidemica adlı eserinde, yine aynı kelimeler esas alınarak ilk defa İngilizcedeki electricity ifadesi kullanıldı. Elektrik kelimesi Türkçeye, Fransızcada da aynı anlama gelen électrique kelimesinden geçti.

İki tür yükün keşfi

1733'te yayımlanan Sur l'électricité adlı eserinde Charles François de Cisternay du Fay, yüklü altın varağın ipek sürtülen cam tarafından itildiğini, aynı yüklü altın varağın yün sürtülen kehribar tarafından çekildiğini gözlemlediğini yazdı. Buradan yola çıkarak du Fay, camsal ile kehribarsal adlarını verdiği iki tür elektrik akışı içerdiği sonucunu çıkardı. Bu iki akışkan, birleştirildiği vakit birbirini etkisiz hâle getirmekteydi. Bir müddet sonra Ebenezer Kinnersley de bağımsız olarak aynı sonucu elde etti. 10 yıl sonra Benjamin Franklin, elektriğin iki farklı tür akıştan değil de fazla (+) ya da eksik (-) olacak şekilde aynı akıştan geldiğini tespit ederek bunlara, yüklerin modern gösterimi olan pozitif ve negatif isimlerini verdi. Franklin, yükün taşıyıcısını pozitif olmak olarak düşündü, ama hangi durumda yük taşıyıcısının fazlası ve hangi durumda yük taşıyıcısının eksiği olduğunu tanımlayamadı.
1838 ve 1852 yılları arasında Richard Laming; atomların, birim elektrik yüklerine sahip atomaltı parçacıklar tarafından çevrelenmiş maddenin özünün birleşimi olduğu fikrini ortaya attı. Johnstone Stoney, elektroliz fenomenine dair çalışmalarının ardından 1874'te, "elektriğin tek kesin özelliği" olduğunu ve bunun da tek değerlikli iyonun yükü olduğunu öne sürdü. Faraday'in elektroliz kanunları aracılığıyla bu temel yükün (e) değerini tahmin edebilse de, bu yüklerin atomlara sabitlenmiş olduğuna ve ayrılamayacağına inanmaktaydı. 1881'de Hermann von Helmholtz, hem pozitif hem negatif yüklerin "elektriğin atomları gibi davranan" temel parçalara ayrıldığı fikrini ortaya attı. 1881'de Stoney, elektroliyon (electrolion) terimini bu temel yükleri adlandırmak için kullandı. 1894 tarihli yazısında: "...elektron (electron) adını önermeye teşebbüs ettiğim elektriğin bu en dikkat çekici, temel biriminin gerçek miktarının bir tahmini yapıldı" ifadeleriyle terimin adını değiştirdi. 1906 yılında önerilen elektriyon (electrion) kelimesi, Hendrik Lorentz'in elektron'u kullanmaya devam etmesi nedeniyle kabul görmedi. Elektron kelimesi elektrik ve iyon kelimelerinin birleşimiyle oluşturulmuştu. Günümüzde, atomaltı parçacıkları tanımlamak için kullanılan -on eki de elektron kelimesinden sonra kullanılmaya başlandı.

Madde dışındaki serbest elektronların keşfi

Seyreltilmiş gazlarda elektriksel iletkenlik üzerine çalışmalarda bulunan Julius Plücker, 1859 yılında, katottan yayılan radyasyonun yol açtığı fosforesans ışığın, katodun yanındaki tüpte göründüğünü ve bu ışığın, manyetik alan uygulanmasına bağlı olarak hareket ettiğini gözlemledi. 1869'da Johann Wilhelm Hittorf, katot ile tüpün duvarları arasında koyduğu katı bir cismin bir gölge oluşturduğunu tespit etti. 1876'da Eugen Goldstein, bu cismin gölgesinin, cismin kendisinden daha büyük boyutlarda olduğunu gözlemleyerek fosforesansı oluşturan ışınların katottan direkt bir yol izleyerek geldiğini belirledi ve bu ışınlara katot ışını (Almanca: Kathodenstrahlen) adını verdi. 1869-1875 yılları arasında William Crookes, içerisine yüksek vakum olan bir tüp geliştirdi. 1874'te, katot ışınlarının izlediği yola koyulan bir çarkın, ışınların etkisiyle döndüğünü gözlemleyerek bu ışınların momentum taşıdığını ve katottan anoda doğru hareket ettiğini gösterdi. Işınlara uyguladığı manyetik alanla ise ışınları saptırmayı başararak bu ışınların negatif yüklüymüş gibi davrandığını tespit etti. 1879'da, "radyant madde" olarak tanımladığı şeyle bu özelliklerin açıklanabileceğini ve maddenin, negatif yükle yüklenmiş olan yüksek hızla katottan tasarlanmış moleküller dahil dört durumu olduğunu olduğunu ileri sürdü.
Arthur Schuster, katot ışınlarına paralel iki metal levha yerleştirdi ve levhalar arasında bir elektrik potansiyeli uygulayarak Crookes'un deneyini ilerletti. Işınların, alanın etkisiyle pozitif yüklü levhaya doğru sapmasıyla negatif enerji taşıdığı kanıtlanmış oldu. 1890'da, akımın verilen seviyesi için sapma miktarını ölçerek ışın bileşenlerinin kütle-yük oranını tahmin etti. Ancak bu üretilen değer beklenenin bin katından fazlaydı, bu yüzden o dönemde kendisinin hesaplamaları yaygın bir biçimde kabul görmedi. 1892'de Hendrik Lorentz, bu parçacıkların (elektronların) kütlelerinin, onların elektrik yükünün bir sonucu olabileceği fikrini ortaya attı.
1896'da floresans mineraller üzerinde çalışmalar yürüttüğü sıralarda Henri Becquerel, bu minerallerin hiçbir dışsal enerji kaynağına maruz kalmadan radyasyon yaydıklarını keşfetti. Sonrasında Ernest Rutherford, bu radyoaktif malzemelerin parçacık yaydığını tespit ederek bu parçacıkları maddeye nüfuz etme özelliklerine göre alfa ve beta olarak adlandırdı. 1900'de Becquerel, radyumun yaydığı beta ışınlarının elektrik alanını saptırabileceğini ve kütle-yük oranlarının katot ışınlarındakinin aynısı olduğunu belirledi. Bu bulgu, elektronların atomların bileşenleri olduğu fikri için bir kanıt oluşturmaktaydı.
1897'de J. J. Thomson ile iş arkadaşları John Townsend ve Harold Wilson, öncesinde düşünüldüğünün aksine katot ışınlarının dalga, atom veya molekülden farklı ve özgün parçacıklar olduğunu gösteren deneyler yaptılar. Thomson, katot ışın parçacıklarının bilinen en hafif iyon olan hidrojeninkinin binde biri olan kütlesinin (m) ve yükünün (e) doğru bir tahminini yaptı. Yük-kütle oranının (e/m) katodun malzemesinden bağımsız olduğunu gösterdi. Devamında ise radyoaktif, sıcak veya aydınlatılmış malzemeler tarafından üretilen negatif yüklü parçacıkların evrensel olduğunu ispatladı. Elektron ismi bir kez daha, Johnstone Stoney tarafından bu parçacıklar için önerildi ve ilerleyen dönemde evrensel olarak kabul gördü.
1909'da gerçekleştirdikleri ve sonuçları 1911'de yayımlanan yağ damlası deneyi sonrasında Robert A. Millikan ve Harvey Fletcher, elektronların yüklerini daha hassas bir şekilde ölçtüler. Deneyde, yüklü yağ damlacığının yerçekimi yüzünden düşmesini önlemek için elektrik alanı kullandı. Bu araç sayesinde %0,3'ten az bir hata payıyla, 1-150 kadar az iyonun elektrik yükü ölçülebildi. Benzer deneyler de elektroliz tarafından yönetilen yüklü su damlacıkları bulutları kullanarak Thomson'ın ekibi tarafından daha önce yapılmıştı. 1911'de ise Abram İoffe'nin, metallerin yüklü mikroparçacıklarını kullanarak yaptığı ve Milikan ile aynı sonuca bağımsız olarak ulaştığı deneylerin sonuçları 1913'te yayımlandı.
20. yüzyılın başlarında, belirli koşullar altında hızlı hareket eden yüklü parçacığın yolu boyunca aşırı doymuş su buharı yoğunluğuna yol açtığı keşfedildi. 1911'de Charles Wilson'ın tasarladığı bulut odasında bu prensip kullanıldı ve böylelikle hızlı hareket eden elektronlar gibi yüklü parçacıkların izleri fotoğrafladı.

Atom teorisi

1914'e kadar; Ernest Rutherford, Henry Moseley, James Franck ve Gustav Hertz tarafından yapılan deneylerle; bir atomun yapısı düşük kütleli elektronla çevrili ve pozitif yüklerin yer aldığı yoğun bir çekirdeği olarak tanımlandı. 1913'te Niels Bohr, elektronların çekirdekle ilgili elektron yörüngelerinin açısal momentumlarıyla belirlenen enerjiyle beraber belli bir dereceye kadar enerji içeren durumlarda bulunduğunu tespit etti. Elektronlar, belli sıklıklardaki protonların yayılması veya emilmesi ile bu durumlar ve yörüngeler arasında hareket edebildiğini belirledi. Bu kuantumlanmış yörüngeler aracılığıyla, hidrojen atomunun bu spektrum çizgilerini açıkladı. Fakat Bohr'un modeli bu spektrum çizgilerinin göreli yoğunluklarını hesaplamada yanıldı ve daha karmaşık atomların spektrumlarını açıklamakta başarılı olamadı.
Atomların arasındaki kimyasal bağlar 1916 yılında, iki atom arasındaki kovalent bağın aralarında paylaştıkları elektron çiftleri tarafından korunduğunu ileri süren Gilbert Lewis tarafından açıklandı. 1927'de, Walter Heitler ve Fritz London tarafından, elektron çiftlerinin oluşumu ile kimyasal bağların, kuantum mekaniği bağlamında tam açıklaması gerçekleştirildi. 1919'da, Lewis'in statik atom modelini inceleyen Irving Langmuir, elektronların ardışık "konsentirik (neredeyse) küresel kabuklara dağılmış ve tamamının eşit kalınlıkta" olduğunu öne sürdü. Kabukları, her biri birer elektron çifti içeren birkaç hücreye böldü. Bu modelle Langmuir, genellikle kendilerini periyodik kurallara göre tekrar eden periyodik tablodaki bütün elementlerin niteliksel olarak kimyasal özelliklerini açıklamayı başardı.
1924'te Wolfgang Pauli, atomların kabuk benzeri yapılarının her durum birden fazla elektron tarafından belirlenmedikçe her kuantum enerji durumunu tanımlayan dört parametreyle açıklanabileceğini gözlemledi. Bu aynı kuantum enerji durumunu kaplayan birden fazla elektrona karşı yasaklama olayı, Pauli dışarlama ilkesi olarak kullanıma geçti. İki farkı mümkün değere sahip dördüncü parametreyi açıklamak için kullanılan fiziksel mekanizma, 1925'te yörüngenin açısal momentumuna ek olan bir elektronun bir içsel açısal momentumu ve manyetik dipol momenti olduğunu belirten Samuel Goudsmit ve George Uhlenbeck tarafından belirlendi Bu içsel açısal momentum, ilerleyen dönemlerde spin olarak adlandırıldı ve yüksek çözünürlüklü spektrografla gözlemlenen spektrum çizgilerinin daha önceleri nedeni bilinmeyen ve sonradan ince yapı bölünmesi olarak adlandırılan bir şekilde bölünmesini açıkladı.

Kuantum mekaniği

1924 tarihli Recherches sur la théorie des quanta adlı çalışmasında Louis de Broglie, bütün maddelerin ışık gibi bir dalgaya sahip olduğunu hipotezleştirdi. Bulgulara göre uygun koşullar altındaki elektronlar ve diğer maddeler ya dalga ya da parçacık özellikleri göstermekteydi. Bir parçacığın parçacıksal özellikleri, verilen anda onun eğik hareketi boyunca uzayda yerleştirildiği konumu olduğu gösterilince ortaya çıkmaktadır. 1927'de yaptıkları deneylerle George Thomson, metal bir folyodan bir elektron demetinin geçmesiyle; Clinton Davisson ile Lester Germer ise nikel kristalinden elektronların yansımasıyla elektronun girişim etkisini keşfetti.
De Broglie'nin elektronların dalga yapısı öngörüsü sonrasında Erwin Schrödinger, atom çekirdeğinin etkisi altında hareket eden elektronlar için 1926'da oluşturduğu dalga denklemiyle elektron dalgalarının nasıl yayıldığını tanımladı. Zamanla bu denklem, elektronun yerini belirleyen çözümü sağlamak yerine, özellikle elektron dalga denkleminin zamanla değişmediği uzayda bağlı elektronun olduğu bir pozisyona yakın bir elektron bulunması için de kullanıldı. Bu yaklaşım ikinci bir kuantum mekaniği formülasyonunun oluşturulmasına (ilki 1925'te Werner Heisenberg tarafından yapışmıştı) ve Heisenberg'inki gibi Schrödinger denkleminin çözümleri 1913'te Bohr tarafından elde edilenlere eşit olan ve hidrojen spektrumunu ürettiği bilinen hidrojen atomundaki bir elektronun enerji durumunun türevlerinin elde edilmesine yol açtı. Spin ve çoklu elektronlar arasındaki etkileşimin tanımlanmasının ardından, kuantum mekaniği sayesinde hidrojenden daha yüksek atom numarasına sahip atomlardaki elektronların diziliminin öngörülmesi mümkün kılındı.
1928'de Paul Dirac, Wolfgang Pauli'nin çalışmasını temel alarak görelilik teorisiyle uyumlu olan, kuantum mekaniğinin elektromanyetik alanının hamilton formülasyonuna göreli ve simetrik kavrayışları uygulayarak Dirac denklemi olarak adlandırılan bir elektron modeli oluşturdu. Göreli denklemindeki bazı sorunları çözme amacıyla 1930'da, negatif enerjili parçacıklardan oluşan sonsuz bir deniz olan ve sonraları Dirac denizi olarak adlandırılan bir vakum modeli geliştirdi. Bu sayede elektronun benzer antimaddesi pozitronun varlığını öngördü. Bu parçacık 1932'de, standart elektronlara negaton diyen ve elektron kelimesini pozitif ve negatif yüklü parçacıkları tanımlamak için kullanmayı öneren Carl Anderson tarafından keşfedildi.
1947'de, Robert Retherford ile birlikte çalışan Willis Lamb, bir hidrojen atomunun aynı enerjiye sahip olması gereken belli kuantum durumlarında, sonraları Lamb kayması olarak adlandırılan farklılıklar yaşandığını buldu. Henry Foley ile birlikte çalışmalarını yürüten Polykarp Kusch 1948'de, elektronun manyetik momentinin Dirac'ın teorisi tarafından öngörülenden daha büyük olduğunu buldu. Anormal manyetik dipol moment olarak adlandırılan aradaki fark 1948'de Julian Schwinger tarafından açıklandı.

Parçacık hızlandırıcılar

20. yüzyılın ilk yarısında parçacık hızlandırıcıların geliştirilmesiyle birlikte, atomaltı parçacıkların özellikleri üzerine yapılan araştırmalar da derinleşmeye başladı. İlk elektromanyetik indüksiyon kullanarak elektronları hızlandırma denemesini 1940'ta gerçekleştiren Donald Kerst, yaptığı denemelerde betatronu ile 2,3 MeV enerjiye ulaşmayı başardı. 1947'de, sinkrotron radyasyonu 70 MeV elektron sinkrotron ile General Electric'te keşfedildi. Bu radyasyon elektronların, manyetik alana doğru neredeyse ışık hızıyla hareket etmeleriyle meydana geldi.
İlk yüksek enerji çarpıştırıcı, 1,5 GeV enerji demetiyle 1968'te hizmete giren ADONE'ydi. Alet, elektronları ve pozitronları ters yönlerde, çarpışma enerjilerini bir elektronlu durağan bir hedefe çaptığındakinin iki katına çıkararak hızlandırmaktaydı. 1989'dan 2000'e kadar etkin olan Avrupa Nükleer Araştırma Merkezindeki Büyük Elektron-Pozitron Çarpıştırıcısı, 204 GeV değerinde enerjiye ulaşan çarpışmalar gerçekleştirmeyi başardı.

Sınıflandırması

Parçacık fiziğinin Standart Model'inde elektronlar, temel parçacıklar olduklarına inanılan lepton adlı atomaltı parçacık grubuna dahildirler. Elektronlar, yüklü herhangi bir leptondan ya da elektrik yüklenmiş herhangi bir tür parçacıktan daha düşük kütleye sahiptir ve temel parçacıkların ilk nesline aittir. İkinci ve üçüncü nesillerdeki yüklü leptonlar olan müon ve tau; yük, spin ve etkileşim açısından elektronlar ile özdeş olsalar da daha büyük boyuttadırlar. Leptonlar, maddenin diğer basit bileşenlerinden olan kuarklardan, güçlü etkileşimi olmaması bakımından ayrılırlar. Lepton grubunun tüm üyeleri gibi elektronlar, yarım tam sayı spine () sahip olduklarından birer fermiyondur.

Temel özellikleri

Elektronun değişmez kütlesi yaklaşık 9,109×10⁻³¹ kilogram ya da 5,489×10⁻⁴ atomik kütle birimidir. Albert Einstein'ın kütle-enerji eşdeğerliği ilkesine göre bu kütle 0,511 MeV durgun enerjiye tekabül etmektedir. Protonun kütlesinin elektronunkine oranı yaklaşık 1836'dır. Astronomik ölçümler bu oranın Standart Model'de öngörüldüğü gibi, en azından evrenin yaşının yarısından beri aynı kaldığını göstermiştir.
Elektronlar, -1,602×10⁻¹⁹ coulomb kadar elektrik yüküne sahiptir. Bu temel yükün 2,2×10⁻⁸ kadar göreli standart belirsizliği vardır. Deneysel hassasiyet sınırları içinde elektronun yükü protonun yüküyle aynıdır, fakat zıt işarete sahiptir. Temel yük için e sembolünün kullanılması nedeniyle elektron, genellikle 
e-
 şeklinde, negatif yükü temsil eden eksi işaretiyle birlikte sembolize edilir. Elektronla aynı özelliklere sahip olan ve elektronun aksine pozitif yüke sahip olan elektronun antiparçacığı pozitron ise 
e+
 şeklinde gösterilir.
Elektronların sahip olduğu spin olarak adlandırılan içsel açısal momentum değeri 'dir. Bu spin değerine sahip parçacıklar için spin büyüklüğü ± kadardır ve herhangi bir eksendeki spinin izdüşüm ölçümlerinin sonuçları yalnızca  ħ olabilmektedir. Spine ek olarak elektron, spin ekseni boyunca içsel bir manyetik momente sahiptir. Bu değer yaklaşık olarak, 9,27400915(23)×10⁻²⁴ joule/tesla'ya denk gelen bir Bohr magnetonuna eşittir. Elektronun momentumuna göre spinin yönünün belirlenmesi olayı, temel parçacıkların sarmallık olarak bilinen özelliğini ifade etmektedir.
Elektronun bilinen bir altyapısı yoktur ve uzamsal bir kapsamı olmayan, nokta yüke sahip nokta parçacık olarak kabul edilmektedir. Klasik fizikte bir nesnenin açısal momentumu ve manyetik momenti, onun fiziksel boyutlarına bağlıdır. Elektronun boyutsuz olarak kabul edilmesinden dolayı, paradoksal ve elektronun sonlu ve sıfırdan farklı yarıçapına işaret eden Penning tuzağındaki deneysel gözlemlerle ters düşüyor gibi gözükebilir. Elektronun yarıçapı konusu, modern teorik fizikte birtakım sorunlara yol açmaktadır. Elektronun sonlu bir yarıçapı hipotezinin kabulü, görelilik teorisinin önermeleriyle uyumsuzdur. Diğer yandan, nokta benzeri elektron (sıfır yarıçaplı) sonsuzluğa yönelen elektronun öz enerjisi nedeniyle matematiksel zorlulara yok açmaktadır. Bir Penning tuzağındaki tek elektronda yapılan gözlem sonucunda parçacığın yarıçapının üst sınırının 10⁻²² metre olduğunu gözlemlenmiştir. Enerjideki belirsizlik ilkesi kullanılarak üst sınırın 10⁻¹⁸ metre olduğu da söylenebilmektedir. Protonun yarıçapından fazla, klasik elektron yarıçapı denilen çok daha fazla değeri olan 2,8179×10⁻¹⁵ m kadar, "klasik elektron yarıçapı" adı verilen bir fiziksel sabit daha olmakla birlikte bu değer, kuantum mekaniğinin etkilerini göz ardı eden basitleştirilmiş bir hesaplama ile elde edildiğinden dolayı elektronun yapısıyla ilgili gerçeği yansıtmamaktadır.
Elektron, bazı temel parçacıkların aksine teorik temellerde kararlıdırlar ve daha küçük boyutlu parçacıklara bozunmazlar. Sıfırdan farklı elektrik yüküne sahip parçacıklar arasında en düşük boyuta sahip olan elektronların bozunması, yük korunumunu ihlal etmesi anlamına gelecektir. Elektronun deneysel ortalama ömrü için alt sınır, %90 güvenilirlikle 6,6×10²⁸ yıldır.

Kuantum özellikleri

Tüm parçacıklar gibi elektronlar da dalga gibi davranabilmektedirler. Buna dalga-parçacık ikiliği denir ve çift yarık deneyi kullanarak gösterilebilir. Elektronun dalga benzeri yapısı klasik parçacıklardaki gibi tek yarık yerine, paralel yarıklarından aynı anda geçmesine izin verir. Kuantum mekaniğinde bir parçacığın dalga benzeri özelliği genellikle ψ sembolüyle gösterilir ve karmaşık değerli dalga fonksiyonu ile matematiksel olarak tanımlanabilmektedir. Bu fonksiyonun mutlak değerinin karesi alındığında, bir parçacığın bir konumunun yakınında gözlemlenme (olasılık yoğunluğu) ihtimalini vermektedir.
Elektronlar, çünkü içsel özelliklerine bakılarak birbirlerinde ayrılamadıkları için özdeş parçacıklardır. Kuantum mekaniğinde bu, etkileşen bir çift elektronun konumlarının, sistemin durumunda gözlemlenebilir hiçbir değişiklik olmadan değiştirilebileceği anlamı taşımaktadır. Elektronlar dahil fermiyonların dalga fonksiyonu antisimetriktir. Bu sayede iki elektron, r₁ ve r₂ sırasıyla birinci ve ikinci elektronları ifade edecek biçimde, ψ(r₁, r₂) = -ψ(r₂, r₁) denklemine göre yer değiştirdiğinde elektronların işaretleri de değişir. Sembol değişiminde mutlak değerlerde değişim yaşanmadığından olasılıklar eşittir. Antisimetri durumunda, elektronların etkileşimi için dalga denkleminin çözümleri bir çiftin aynı yeri veya durumunu kapsaması sıfır olasılıkla sonuçlanır. Bu durum, iki elektronun aynı kuantum durumunda olmasını engelleyen Pauli dışlama ilkesi sayesindedir. Bu ilke sayesinde, bir atomdaki bağlı elektron gruplarının aynı yörüngede birbirleriyle çakışması yerine farklı yörüngelerde bulunması açıklanabilmektedir.

Etkileşim

Elektronun ürettiği elektrik alanı, pozitif yüklü bir parçacığa çekme, negatif yüklü bir parçacığa ise itme kuvveti uygular. Bu gücün büyüklüğü Coulomb kanunuyla saptanmaktadır. Elektronlar, hareket hâlindeyken manyetik alan oluşturmaktadırlar. Manyetik alan ile elektronların kütle hareketleri (akım) arasındaki ilişki Ampère kanunu ile açıklanmaktadır. İndüksiyonun bu özelliği, bir elektrik motorunu harekete geçiren manyetik alanı sağlar. Rastgele hareket eden yüklü bir parçacığın elektromanyetik alanı, parçacığın hızı ışığınkine (göreli) yakın olduğunda dahi geçerli olan Liénard-Wiechert potansiyelleri tarafından açıklanmaktadır.
Bir elektron manyetik bir alana doğru hareket ederken, elektronun hızı ve manyetik alan tarafından tanımlanan, düzleme dik şekilde etki eden Lorentz kuvvetine tabiidir. Bu merkezcil kuvvet elektronun, eylemsizlik yarıçapı denilen bir yarıçapa sahip alana doğru sarmal bir yörünge takip etmesine neden olur. Bu eğimli hareketin ivmesi elektronun sinkrotron radyasyonu biçiminde enerji yaymasına yol açar. Enerji yayılması, Abraham-Lorentz-Dirac kuvveti olarak bilinen elektronu yavaşlatan bir sürtünme yaratır. Bu kuvvet, elektronun kendi alanının elektronun kendisi üzerinde meydana gelen karşı tepkiden kaynaklanmaktadır.
Fotonlar, kuantum elektromanyetiğinde parçacıklar arasındaki etkileşimi sağlar. Sabit bir hızda izole edilmiş bir elektronun, enerji ve momentumun korunumu kanunları ihlal edilmiş olacağından gerçek bir fotonu emmesi ya da yayması mümkün değildir. Bunun yerine sanal fotonlar, iki yüklü parçacık arasında momentum değişimi yapabilirler. Sanal fotonların bu değişimi Coulomb kuvvetini üretir. Enerji salınımı, hareket eden bir elektronun, proton gibi yüklü bir parçacık tarafından saptırılamsıyla ortaya çıkabilir. Elektronun ivmelenmesi, Bremsstrahlung radyasyonunun salınımı ile sonuçlanır.
Bir foton ile bir tek (serbest) elektron arasında yaşanan esnek olmayan çarpışmaya Compton saçılması denir. Bu çarpışma ile parçacıklar arasında momentum ve enerji değişimi yaşanarak fotonun dalga boyu Compton kayması olarak adlandırılan miktarda değişir. Bu dalga boyu değişiminin en büyük değeri, Compton dalga boyu olarak bilenen h/mₑc şeklinde tanımlanır ve elektronlar için bu değer 2,43×10⁻¹² m kadardır. Işığın dalga boyu uzadıkça (örneğin görülebilen ışığın dalga boyu 0,4-0,7 μm'dir) dalga boyu kayması daha ihmal edilebilir hâle gelir. Işık ile serbest elektronlar arasındaki bu ilişki, Thomson saçılması olarak adlandırılmaktadır.
Elektron ve proton gibi iki yüklü parçacık arasındaki elektromanyetik etkileşimin göreli gücü, ince yapı sabiti ile verilmektedir. Bu değer, bir Compton dalga boyunun ayrımındaki çekmenin ya da itmenin elektrostatik enerjisinin, yükün geri kalan enerjisine oranı ile elde edilen boyutsuz bir niceliktir. α ≈ 7,297353×10⁻³ şeklindeki bu değer yaklaşık olarak 'e eşittir.
Elektronlar ile pozitronlar çarpıştığında, toplam enerjisi 1,022 MeV olan iki ya da daha fazla gama ışını fotonu ortaya çıkararak birbirlerini anhilasyona uğratırlar. Elektron ve pozitronun ihmal edilebilecek derecede bir momentuma sahip olmaları durumunda, annihilasyon tamamlanmadan önce bir pozitronyum atomu da oluşabilir. Diğer yandan, yüksek enerji bir foton, çift üretimi denilen süreç sonrasında, yalnızca bir atom çekirdeği gibi yakındaki bir yüklü parçacığın varlığında birer elektron ve pozitrona dönüşebilmektedir.
Elektrozayıf etkileşim teorisine göre, elektronun dalga fonksiyonun sola dönen bileşeni ile elektron nötrino bir zayıf izospin çifti meydana getirir. Bu, zayıf etkileşimler süresince elektron nötrinolarının elektron gibi davrandıkları anlamına gelmektedir. Bu çiftin herhangi bir üyesi, bir W bozonu yayarak ya da emerek bir yüklü akım etkileşimine maruz kalabilir ve çiftin diğer üyesine dönüşebilir. Bir yük taşıyan W bozonunun dönüşüm sırasında net yükü sıfırlaması nedeniyle bu reaksiyon boyunca yük korunur. Yüklü akım etkileşimleri, radyoaktif bir atomdaki beta bozunmasından sorumludur. Hem elektron ve hem de elektron nötrinosu, 
Z0
 değişimi sayesinde nötr akım etkileşimine maruz kalmakta ve bu sayede nötrino-elektron esnek saçılması ortaya çıkmaktadır.

Atomlar ve moleküller

Elektronlar, çekici Coulomb kuvvetiyle atom çekirdeklerine bağlı olabilirler. Bir çekirdeğe bağlı bir ya da daha fazla elektronun oluşturduğu sisteme atom denir. Elektron sayısının, atom çekirdeğinin elektrik yükünden farklı olduğu atomlara iyon denir. Bağlı elektronun dalga benzeri davranışları, atomik orbital işleviyle açıklanır. Her orbitalin kendisine ait enerji, açısal momentum ve açısal momentumun izdüşümü gibi birtakım kuantum sayısı vardır ve sadece bu orbitallerin ayrık grupları çekirdeğin etrafında var olabilir. Pauli dışarlama ilkesine göre her orbital, spin kuantum sayısı farklı olan en fazla iki elektron içerebilir.
Elektronlar iki orbital arasında potansiyel farkında uyuşan enerjili fotonların salma ve emmesiyle değişebilirler. Orbital transferi için diğer metotlar elektron gibi parçacıkların çarpışması ve Auger etkisini içerir. Atomdan kaçmak için elektronun enerjisi onu atoma bağlayan bağ enerjisinin üstüne çıkarılmalıdır. Atomun iyonizasyon enerjisini aşan bir uyarıcı fotonun elektron tarafından emildiği fotoelektrik etkisiyle bu ortaya çıkabilir.
Elektronun orbitalinin açısal momentumu kuantize olmuştur. Elektron yüklendiği için, açısal momentuma oranlı olan orbitalin manyetik momentumunu üretir. Atomun net manyetik momentum çekirdeğin ve tüm elektronların spin manyetik momentine ve vektör toplamına eşittir. Çekirdeğin manyetik momenti elektronunkine oranla önemsizdir. Aynı orbitali kaplayan elektronların (çiftlenmiş elektron denir) manyetik momenti birbirini yok eder.
Atomlar arasındaki kimyasal bağ kuantum mekaniğinin kurallarıyla tanımlandığı gibi elektromanyetik etkileşimin sonucu olarak ortaya çıkar. En güçlü bağ moleküllerin yapımına izin vererek atomlar arasında elektron paylaşımı veya değişimiyle olur. Molekül içinde, elektronlar birkaç çekirdeğin etkisi altında hareket eder ve moleküler orbitallleri kaplarlar; tıpkı izole atomlarda atomik orbital kapladıkları gibi. Bu moleküler yapılardaki temel faktör elektron çiftlerinin var olmasıdır. Bunlar Pauli dışlama ilkesine zarar vermeden aynı moleküler orbitali kaplamalarına izin veren (atomlardaki gibi) zıt dönmesi olan elektronlardır. Farklı moleküler orbitaller elektron yoğunluklarının farklı uzamsal dağılımlarına sahiptirler. Örneğin, bağlı çiftlerde (atomları bir araya bağlayan çiftlerde), elektronlar çekirdek arasında göreli küçük hacimlerde en fazla ihtimalle bulunurlar. Tam tersine, bağlı olmayan elektron çiftleri çekirdeğin etrafındaki büyük hacimlerde dağılmışlardır.

İletkenlik

Eğer bir yapı çekirdeğinin pozitif yükünü dengelemek için gerekenden az ya da fazla elektrona sahipse, bu obje net bir elektrik yüküne sahiptir. Fazla elektron varsa, obje negatif yüklenmiş denir, eğer çekirdekteki protonun sayısından daha az elektronu var, obje pozitif yüklenmiş denir. Eğer elektronların ve protonların sayısı aynı iste yükleri birbirlerini sıfırlar ve obje elektriksel olarak nötr olur. Makroskobik yapılar triboelektrik etki ile sürtülerek elektrik yükü kazanabilirler.
Vakumda hareket eden bağımsız elektronlara serbest elektronlar denir. Metallerdeki elektronda da serbestlermiş gibi davranırlar. Gerçekte metallerdeki ve diğer katılardaki elektron olarak adlandırılan parçacıklara gerçek elektronlar gibi aynı elektriksel yüke, dönmeye ve manyetik momente sahip olan ama kütleleri farklı olabilen sanki elektron veya sanki parçacık denir. Metaldeki ve vakumdaki serbest elektronlar hareket edince, manyetik alanı kontrol eden elektriksel akım denilen yükün net bir akışını oluştururlar. Benzer olarak, bir akım değişen manyetik alan tarafından yaratılabilir. Bu etkileşim matematiksel olarak Maxwell denklemleri ile tanımlanabilir.
Verilen bir sıcaklıkta, her materyal eğer bir elektrik potansiyeli uygulandıysa elektrik akımını belirleyen bir elektriksel iletkenliğe sahiptir. Teflon ve cam kötü kondüktörlerken, iyi kondüktörler arasında bakır ve altın gibi metaller vardır. Herhangi bir yalıtkan materyalde elektronlar kendi atomlarına bağlı olarak devam ederler ve materyal de bir yalıtkan gibi davranır. Çoğu yarı iletken yalıtmanın ve iletmenin sınırları arasında olan bir iletkenlik seviyesine sahiptir. Diğer yandan metaller kısmen dolu elektronik kuşaklar elektron kuşağı yapısına sahiptirler. Böyle kuşakların varlığı metallerdeki elektronların yöresizleşmiş elektronlarmış gibi davranmalarına izin verir. Bu elektronlar belli atomlarla ilişkilendirilmemişlerdir, böylelikle, elektronik alan uygulandığında, gaz (Fermi gazı denir) gibi materyale doğru hareket etmekte özgürlerdir.
Elektronlar ile atomlar arasındaki çarpışma yüzünden, kondüktördeki elektronların sürüklenme hızı yaklaşık saniyede milimetredir. Ama malzemedeki bir noktadaki akımın yükünün değiştiği hız materyalin diğer kısımlarındaki akımların da değişimine neden olur. Elektrik sinyalleri materyalin dielektrik sabitine bağımlı hızla dalga gibi yayıldığı için olur bu.
Yöresizleştirilmiş elektronlar atomların arasındaki termal enerjisi taşımak için özgür için metaller sıcaklığı da iyi iletirler. Ama elektriksel iletkenliğin aksine, metalin termal iletkenliği sıcaklıktan bağımsızdır. Bu matematiksel olarak ısıl iletkenliğin elektriksel iletkenliğe oranının sıcaklıkla orantılı olduğunu söyleyen Wiedemann-Franz kanunuyla açıklanmıştır. Metalik örgüdeki termal bozukluk elektriksel akıma bağımlı sıcaklık üreterek metalin elektriksel direncini artırır.
Kritik sıcaklık denilen noktanın altına kadar soğulunca, materyaller süperiletkenlik olarak bilenen süreçte elektrik akımına karşı olan tüm dirençlerini kaybettikleri faz değişimine uğrarlar. BCS teorisinde Bose-Einstein yoğunlaşması olarak bilinen kuantum durumuna giren elektron çiftleri tarafından bu davranış modellenir. Bu Cooper çiftleri fonon denilen örgü titreşimleriyle yakındaki maddeyle hareketlerini çiftler ve böylelikle normalde elektriksel direnç yaratan atomların çarpışmasını önler (Cooper çiftleri yaklaşık olarak 100 nm yarıçapa sahiptir böylelikle birbirleriyle çakışabilirler). Ama yüksek sıcaklık süperiletkenliğin işleme belirsiz devam eder.
Kendileri sözde parçacık olan mutlak sıfıra yakın bir sıcaklıkta tutulduklarında iletken katıların içindeki elektronlar üçe bölünmüş gibi davranırlar; diğer sözde parçacıklar: spinonlar, orbitonlar ve holonlar. İlki dönme ve manyetik momenti taşır, ikincisi yörüngelerin yerlerini taşır ve üçüncüsü elektriksel yükü taşır.

Gözlem

Elektronların uzaktan gözlemi ışıma yapan enerjilerinin saptanmasını gerektirir. Örneğin, bir yıldızın taç küresi gibi yüksek enerjili çevrelerde, serbest elektron Bremsstrahlung radyasyonu yüzünden enerji saçan bir plazma üretir. Elektron gazı elektron yoğunluğundaki senkronize edilmiş değişimler tarafından sebep olunmuş dalgalar olan plazma salınımına uğrar ve radyo teleskoplar kullanarak tespit edilebilen bir enerji yayılımı üretirler.
Fotonların sıklığı enerjisiyle oranlıdır. Bir atomun enerji seviyelerindeki bağlı elektronların geçişimleri oldukça, karakteristik sıklıklardaki protonları emer veya salar. Örneğin, atomlar geniş bir spektrumlu bir kaynak tarafından ışıma yapılırsa, ayrı soğurma çizgisi transfer edilen ışımanın spektrumunda görünür. Her element veya molekül hidrojen spektrumu serileri gibi spektral çizgilerinin karakteristik bir grubunu gösterir. Bu çizgilerin kuvvetinin ve genişliğinin spektroskopik ölçümleri maddenin fiziksel özelliklerinin ve kompozisyonunun belirlenmesine izin verir.
Laboratuvar koşullarında bireysel elektronlar arasındaki etkileşimler enerji, dönme ve yük gibi spesifik özelliklerin ölçümüne izin veren parçacık dedektörü aracılığıyla yapılabilir. Paul ve Penning tuzaklarının gelişimi yüklü parçacıkların uzun süreler boyunca küçük bir alanda tutulmasına izin verdi. Bu parçacık özelliklerinin kesin ölçümlerini yapabilir. Örneğin, bir seferde 10 aylık bir süreçte tek bir elektronun tutmakta Penning tuzağı kullanıldı. Elektronun manyetik momenti 1980’deki diğer bütün fiziksel sabitlerden daha kesin olarak 11. basamağa kadar bir hassasiyetle ölçüldü.
Elektronun enerjisinin dağılımın ilk video görüntüsü İsveç'te Şubat 2008’de Lund Üniversitesi'nde bir takım tarafından alındı. Bilim adamları attosaniye etki denilen elektronun hareketini ilk defa gözlemlemeye izin vermiş çok kısa ışık flaşı kullandı.
Katı materyallerdeki elektronların dağılımı açı çözümlemeli fotoemisyon spektroskopisi (APRES) tarafından görselleştirildi. Bu teknik fotoelektrik etkisini ters uzayı (orijinal yapıyı anlamak için kullanılan periyodik yapıların matematiksel bir gösterimi) ölçmek için kullanılıyor. ARPES elektronun materyaldeki yönü, hızı ve dağılımı belirlemek için kullanılır.

Parçacık demeti

Elektron demeti kaynakta kullanılır. 0.1–1.3 mm kısa odak çapı boyunca enerji yoğunluklarına 107 W•cm-2'ye kadar izin verirler ve genellikle dolgu maddesi gereksinmezler. Bu kaynak teknolojisi elektronların hedefe ulaşmadan önce gazla etkileşimini engellemek için vakumda yapılmalıdır. Kaynak için uygun olmayacak iletken maddeleri birleştirmek için kullanılır.
Elektron ışımlı basım (EBL) mikrometreden daha fazla çözünmelerde yarı iletkenleri aşındırma yöntemidir. Bu teknik yüksek maliyetli, yavaş çalışan, vakum için çalışması gereken, katıdaki elektronların dağılma eğilimi olan bir tekniktir. Son problem 10 nm’e kadar çözünülme limitlenir. Bu nedenle EBL özelleştirilmiş entegre devlerin küçük sayıda üretiminde kullanılır.
Elektron demeti süreci fiziksel özelliklerini değiştirmek veya medikal ve gıda ürünlerini temizlemek için metallere ışıma yaptırmak için kullanılır. Elektron demeti yoğun ışınımlanmada sıcaklığı artırmadan camları akışkanlaştırır veya sözde erime sağlar: örneğin, yoğun elektron ışıması aktivasyon enerjisinin aşamalı olarak düşmesine ve akma direnci düşmesine sebep olur.
Çizgisel parçacık hızlandırıcısı radyasyon terapisinde yüzeysel tümörleri tedavisi için elektronları yönetir. Elektron terapisi bazal hücreli karsinoma gibi deri lezyonlarını tedavi edebilir çünkü bir elektron demeti soğrulmadan limitli derinliğe(elektron enerjisi için 5-20 MeV aralığında 5 cm’ye kadar) zühul edebilir. Bir elektron demeti X-ray tarafından ışınımlanmış kısımların tedavisine ek olarak da kullanılır.
Parçacık hızlandırıcıları elektronları ve onların anti parçacıklarını yüksek enerjine doğru ilerletmek için elektriksel alanı kullanır. Bu parçacıklar manyetik alana girdiklerinde sinkrotron ışıması yaparlar. Bu ışımanın yoğunluğunun dönmeye bağlı olması durumu elektron demetini polarize eder. Bu sürece Sokolov-Ternov etkisi denir. Polarize olmuş elektron demetleri birçok deney için kullanılabilir. Ayrıca, sinkrotron radyasyonu, elektron demetlerini soğutarak parçacıkların momentum yayılmalarını azaltır. Elektron ve pozitron demetleri gerekli enerjiye ulaşana kadar hızlandırılırlar ve çarpıştırılırlar. Parçacık detektörleri bu işlem sonucunda parçacık fiziğinin konusu olan ortaya çıkan enerjiyi gözlemler.

Görüntü

Düşük enerji elektron kırınımı (LEED) kristal materyal elektronların koşutlanmış ışık demeti bombardımanına tutma ve materyalin yapısını belirleme için kırımınım şeklinin sonuçlarını gözlemleme yöntemidir. Elektronların gerekli enerjisi 20-200 eV’dir genellikle. Yansıma yüksek enerji kırınımı (RHEED) tekniği kristal materyalin yüzünü karakterize etmek için farklı düşük açılarda açığa çıkmış elektron demetini kullanır. Demet enerjisi 8-20 keV aralığındadır ve oranın açıcı 1–4 derecedir.
Elektron mikroskobu bir modeldeki elektronların odaklanmış demetini gösterir. Bazı elektronlar demet materyal ile etkileşince hareket yönü, açıcı bağlı fazı ve enerjisi gibi özelliklerini değiştirir. Mikroskop uzmanları elektron demetindeki bu değişimleri materyalin kararlı görünüşünü atomik olarak üretmek için kaydederler. Mavi ışıkta, geleneksel optik mikroskoplar yaklaşık 200 nm’lik kırınımla sınırlı çözünürlüğe sahiptir. Kıyasla elektron mikroskopları elektronun de Broglie dalga boyu ile sınırlıdır. Dalga boyu örneğin 100,000volt potansiyele karşın 0.0037 nm’dir. The Transmission Electron Aberration-Corrected Microscope bireysel atomları çözümlemek için fazlasıyla yeterli olan 0.05 nm’nin altında çözünürlüğe sahiptir. Bu yetisi elektron mikroskobunu yüksek çözünürlüklü görüntü için yararlı bir laboratuvar aleti yapar. Ama elektron mikroskopların muhafaza edilmesi masraflı pahalı aletlerdir.
İki tür elektron mikroskobu vardır; geçirimli ve taramalı. Geçirimli elektron mikroskopları materyal parçası boyunca geçen elektron demetiyle, yük bağlaşık aygıtına veya fotografik slâyda lenslerle yansıtılarak tepegöz gibi işler. Taramalı elektron mikroskoplu televizyon setinde olduğu gibi çalışılmış örnekten görüngü üretmek için iyi odaklanmış elektrona rasteri taraması yapar. Büyütme oranı 100x’dan 1.000.000x’e kadardır ya da iki mikroskop türünden de daha fazladır. Taramalı tünelleme mikroskobu keskin metal ucundan çalışılmış materyale elektronların kuantum tünelini kullanır ve yüzeyinin atomik olarak çözünürlüklü görüntüsünü üretir.

Diğer uygulamalar

Serbest elektron lazerinde (FEL), göreli bir elektron demeti iki kutuplu alanları alternatif yönleri gösteren magnetin oklarını içeren dalgalandırıcı demetinden geçer. Elektronlar salınım sıklığında radyasyon alanını güçlendirmek için aynı elektronlarla uyumlu olarak etkileşen sinkrotron radyasyonunu emer. FEL geniş sıklıklarla, mikrodalgalardan hafif X ışınlarına uyumlu yüksek parlaklık elektromanyetik radyasyonu emer. Bu araçlar üretim, iletişim ve yumuşak doku cerrahisi gibi değişik medikal alanlarla kullanılabilir.
Elektronlar laboratuvar araçlarında, bilgisayar ekranlarında ve televizyon setlerinde çoğunlukla gösterme aracı olarak kullanılan katot ışını tüpleri için önemlidirler. Aphotomultiper tüpte, fotokatoduna çarpan her foton saptanabilir bir akım darbesi üreten bir elektrocun çığı başlatır. Vakum tüpleri elektron akışını elektriksel sinyalleri idare etmek için kullanır ve elektronik teknolojinin gelişmesinde kritik bir rol oylarlar. Ama transistor gibi katıhal aygıtları onların çoğunlukla yerlerini aldı.