אלקטרון

אֵלֶקְטְרוֹן (סימול: e-) הוא חלקיק יסודי תת-אטומי. במבנה האטום הבסיסי, האלקטרונים מקיפים את גרעין האטום, המכיל את הפרוטונים והנייטרונים. מטענו החשמלי של האלקטרון שלילי, ושווה בגודלו לזה של הפרוטון. מסת המנוחה שלו קטנה ביחס למסת הפרוטון (יחס של כ-1⁄1836). האלקטרון נחשב לחלקיק יסודי, כלומר, לא ידוע על קיום מבנה פנימי שלו. האלקטרון הוא לפטון מהדור הראשון. לאלקטרון יש ספין שערכו ħ⁄2, ועל כן הוא פרמיון, חלקיק המציית לעקרון האיסור של פאולי. מוליכות חשמלית במוצקים ובכללם במוליכים מתכתיים בהם ההולכה יעילה במיוחד, נעשית על ידי זרימה של אלקטרונים. אלקטרונים בעלי קשר חלש לגרעין האטום המסוגלים לעבור מאטום לאטום בהשקעה קטנה יחסית של אנרגיה ועל כן לזרום בקלות יחסית דרך המוצק תחת השפעת מתח חשמלי, נקראים אלקטרונים חופשיים. במכניקת הקוונטים, האלקטרון מתואר על ידי משוואת דיראק. במודל הסטנדרטי של פיזיקת החלקיקים, הוא יוצר זוג יחד עם נייטרינו אלקטרוני, תוך שהם מגיבים דרך הכוח הגרעיני החלש. לאלקטרון שני בני משפחה בעלי אותו מטען חשמלי: המיואון והטאו, אך מסותיהם של בני משפחה אלה גבוהות בהרבה. המערך האלקטרוני של אטומים ומולקולות משפיע רבות על התכונות הכימיות של החומר. אלקטרונים הם אלו המשמשים בקשרים הבין-אטומיים והבין-מולקולריים שבחומר ורוב התגובות הכימיות בין חומרים מתרחשות באמצעות פעילותם של אלקטרונים. אלקטרונים עשויים להיווצר בהתפרקות בטא של איזוטופים רדיואקטיביים ובהתנגשויות באנרגיה גבוהה, למשל, כאשר קרינה קוסמית חודרת לאטמוספירה. האנטי-חלקיק של האלקטרון הוא הפוזיטרון. לפוזיטרון ספין ומסה שווים לאלה של האלקטרון, בעוד מטענו החשמלי חיובי, כלומר, נגדי לזה של האלקטרון. כשאלקטרון ופוזיטרון נפגשים, הם מאיינים זה את זה, תוך שחרור שני פוטונים בכיוונים מנוגדים, שלכל אחד מהם אנרגיה של 510,998.9461 eV/c2, כלומר, אנרגיה בתחום של קרינת גמא. אנרגיה זו שווה למסת המנוחה של האלקטרון. בתהליך כזה, שחרור של פוטון אחד איננו אפשרי, משום שהוא יהיה מנוגד לחוק שימור התנע. תגובה זו נבדקה בניסויים בתאי ערפל והיא מתרחשת לעיתים קרובות במאיצי חלקיקים ובניסויים אחרים של פיזיקת חלקיקים. על פי הערכות מודרניות, מספר האלקטרונים ביקום הנצפה הוא כ-‎1079‎. ערך מורחב – היסטוריה של הכימיה במאה ה-5 לפני הספירה פיתח דמוקריטוס את מושג האטומים על מנת לפשר בין שתי אסכולות שונות שעסקו בטיבה של המציאות. על פי האסכולה האטומיסטית, הישים והתופעות בטבע ניתנים לחלוקה הולכת וחוזרת עד שמגיעים לחלקיקים זעירים, להם זיזים ושקעים, המסוגלים להתחבר זה לזה. חלקיקים אלו נקראו atomos, כלומר חלקיקים שלא ניתן לחזור ולחלקם, והתורה לפיה קיימים חלקים בלתי ניתנים לחלוקה שכאלו נקראת התורה האטומיסטית. בין האטומים קיים ריק, חלל שאין בו כלום. אנשי האסכולה ניחשו את קיומם של אטומים יותר מ-2000 שנים לפני שקיומם התגלה באמצעות תאוריות מדעיות שהתבבסו על תצפיות וניסויים כמותניים. עם זאת לפי תומכי האסכולה האטומיסטית חשבו כי האטומים הם החלקיק הקטן ביותר. מקור המושג "אלקטרון" הוא בגילוי של היוונים כי חומר שנקרא "ענבר" ששופשף בצמר משך אליו גופים אחרים. בתקופה המודרנית, מספר מדענים, כגון ויליאם פראוט (William Prout) ונורמן לוקיטר (Norman Lockyr), הציעו שאטומים בנויים מיחידה יותר בסיסית, אך סברו כי היחידה הזאת תהיה בגודל של האטום הכי קטן, מימן. האלקטרון התגלה על ידי הפיזיקאי ג'יי ג'יי תומסון באפריל 1897. תומסון, היה הראשון להוכיח שישנו חלקיק תת-אטומי, הקטן ביותר מפי 1,000 מהאטום, חלקיק שכיום ידוע כאלקטרון. תומסון גילה זאת דרך מחקריו על שפופרת קרן קתודית, בעקבות הגילוי שקרני קתודה יכולות לנוע דרך האוויר הרבה יותר רחוק ממה שאפשרי לחלקיק בגודל אטומי. הוא העריך את המסה של קרני הקתודה על ידי מדידת החום שנפלט כאשר הקרניים פגעו בצומת תרמית והשווה זאת לסטייה של הקרניים על ידי שדה מגנטי. הניסויים שלו הציעו לא רק שקרניים קתודיות קלות ביותר מפי 1,000 מאטום המימן, אלא גם שהמסה שלהם זהה ללא תלות ביסוד ממנו באו. הוא הסיק שהקרניים בנויות מחלקיקים מאוד קלים, בעלי מטען שלילי, חלקיקים המהווים רכיב אוניברסלי של מבנה האטומים. הוא קרא להם "גופיפים" (corpuscles), תומסון הושפע מעבודותיהם של ג'יימס קלרק מקסוול ווילהלם רנטגן בנושא שפופרת קרן קתודית. קדם לו ג'יי. ג'ונסון סטוני, שהעלה השערה בדבר קיומו של האלקטרון כיחידת מידה באלקטרוכימיה, אך תומסון הבין שהאלקטרון הוא חלקיק תת-אטומי, הראשון שנתגלה. תגליתו עוררה התרגשות בקהילה המדעית, והובילה בסופו של דבר לזכייתו בפרס נובל לפיזיקה בשנת 1906. בעקבות הגילוי של תומסון, החלו להתפתח תאוריות לגבי מבנה האטום וכן לגבי טיבם של קשרים כימיים. בשנת 1904 הציע תומסון מודל ראשון של מבנה אטום, המכונה מודל עוגת הצימוקים. לפי מודל זה האטום הוא כדור של חומר טעון חיובית ובתוכו מפוזרים האלקטרונים, כך האלקטרונים בעלי המטען השלילי מאזנים את המטען החיובי של החומר בתוכו הם נמצאים ולכן המטען הכולל של האטום הוא נייטרלי. במודל האטומי שלו הניח תומסון שקשרים כימיים נוצרים בעזרת כוחות אלקטרוסטטיים שמועברים בין האטומים. מהנחה זאת נובע כי קשר כימי חייב להיות קוטבי. ארנסט רתרפורד ביצע את ניסוי רתרפורד שהראו שלא ייתכן שהאטום מורכב מ"מריחה" של מטען חיובי, אלא שהמטען חיובי של האטום מרוכז באזור קטן מאוד בתוך האטום ולכן יש לדחות את "מודל עוגת הצימוקים". ניסויים אלו הובילו את רתרפורד להציע את המודל הפלנטרי של האטום בשנת 1911. במודל זה הוצג לראשונה הרעיון של גרעין האטום. בשנת 1913 שכלל נילס בוהר את המודל הפלנטרי של האטום והציג את מודל האטום של בוהר התוספת של בוהר הייתה כי לא כל מסלול אפשרי עבור האלקטרונים, אלא רק מסלולים שבהם התנע הזוויתי של האלקטרונים מהווה כפולה שלמה של קבוע פלאנק המצומצם (המסומן לרוב ב- ℏ {\displaystyle \hbar } ). מעבר האלקטרון בין מסלול למסלול (כלומר בין רמות אנרגיה) הוא מיידי ומלווה בפליטה או בבליעה של פוטון - מנה (קוונטה) של קרינה אלקטרומגנטית. ערך מורחב – דואליות גל-חלקיק בהתאם להשערת דה ברויי, לאלקטרונים, בדומה לחלקיקים אחרים, יש הן תכונות של חלקיק והן של גל. עקב מסתם הנמוכה, תכונותיהם הגליות יכולות להימדד בניסויים שונים. קרן אלקטרונים הנורית דרך שני סדקים לעבר מרקע, מציגה עליו תמונת התאבכות. אלקטרון הקשור לגרעין מתנהג כגל עומד. לאלקטרון מטען חשמלי של -‎1.602176634×10-19‎ קולון, דהיינו, מטען חשמלי שלילי (יחידה שלילית אחת של מטען יסודי). מסת המנוחה של האלקטרון היא ‎9.10938356×10-31‎ קילוגרם, או 510,998.9461 eV/c2, שהם כ-1⁄1836 ממסת הפרוטון. כשאלקטרונים נעים, חופשיים מגרעיני אטומים, בכיוון מוגדר, זרימתם נקראת חשמל או זרם חשמלי. ניתן לגרום לזרימה באמצעות הפעלת מתח חשמלי בין שני קצות מעגל חשמלי דרכו מתבקשת הזרימה. ניתן למדוד מטען חשמלי בעזרת אלקטרומטר, וזרם חשמלי ניתן למדוד בעזרת מד זרם. "חשמל סטטי", ובשמו המדויק יותר "מטען סטטי", הוא תופעה בה בצבר אטומים או מולקולות אין איזון בין מספר האלקטרונים לבין מספר הפרוטונים. כשבגוף כלשהו מספר האלקטרונים עודף על מספרם של הפרוטונים, נאמר על הגוף שהוא "טעון שלילית", ולהפך, כאשר מספר האלקטרונים קטן ממספר הפרוטונים, נאמר על הגוף שהוא "טעון חיובית". כאשר מספר האלקטרונים ומספר הפרוטונים שווה, נאמר על הגוף שהוא "נייטרלי". בשנת 1913 הציע המדען נילס בוהר, שלאלקטרונים יש מספר רמות אנרגיה קבועות שבהן הם יכולים להימצא. הוא הסביר זאת בכך שהאנרגיה היא תוצאה של התנע הזוויתי של תנועת האלקטרון, ובכך שיש מספר קבוע של מסלולים (או "קליפות") לכל סוג אטום, בהם האלקטרונים יכולים להיות, כלומר האלקטרונים נמצאים תמיד בקליפה אחת מבין מספר קליפות, וכל קליפה נמצאת במרחק קבוע מהגרעין. הרעיון דומה למרחקים הקבועים של כוכבי הלכת במערכת השמש, ולכן יש המכנים גישה זו "הגישה הפלנטרית". כמו כן הציע בוהר שלכל אטום, אם לא הופעל עליו כוח כלשהו, ישנם אלקטרונים הנמצאים בכל אחת מרמות העירור הקבועות הללו. על ידי בליעת פוטון או תוך שחרור פוטון, יכול האלקטרון לעבור מרמת עירור אחת לשנייה. בכך הסביר בוהר את קווי הספקטרום האופייניים למימן. בשנים מאוחרות יותר הוסבר הדבר בפירוט. אלקטרון הסופג אנרגיה מפוטון, משדה אלקטרומגנטי או מהתנגשות עם חלקיקים אחרים (בדרך-כלל אלקטרונים גם הם), נכנס למצב מעורר. הוא נשאר במצב זה זמן קצר ביותר, וחוזר לרמה נמוכה יותר, תוך שחרור פוטון (במקרה של אטום סתמי - ללא מטען), או תוך שחרור אלקטרון אחר (לעיתים במקרה של יון). ערך מורחב – מסת מנוחה של אלקטרון את ערכה של מסת המנוחה של אלקטרון ניתן לחלץ מקבוע רידברג בהצגתו השכיחה ביותר: R ∞ = m e c α 2 2 h ⇒ m e = 2 R ∞ h c α 2 {\displaystyle R_{\infty }={\frac {m_{\rm {e}}c\alpha ^{2}}{2h}}\Rightarrow m_{\rm {e}}={\frac {2R_{\infty }h}{c\alpha ^{2}}}} m e {\displaystyle m_{\text{e}}} -מסת המנוחה של אלקטרון, α- קבוע המבנה העדין, h- קבוע פלאנק, R∞- קבוע רידברג, ו c {\displaystyle c} - מהירות האור בריק המסה נמדדת ישירות במלכודת פנינג (חלקיק בשדה מגנטי קבוע ושדה חשמלי משתנה). לערך שנמדד שגיאת קירוב הנובעת כולה משגיאת הקירוב במדידת ערכו של קבוע פלאנק. כמו כן ניתן לחשב הערך מהספקטרומים של אטום הליום שאלקטרון שלו הוחלף באנטיפרוטון, או ממדידות פקטור g (קבוע היחס בין המומנט המגנטי לתנע הזוויתי של חלקיק) ביונים ההידרוגנים 12C5+ ו 16O7+. מסת המנוחה של אלקטרון נאמדת בכ- 9.11 ⋅ 10 − 31 k g {\displaystyle 9.11\cdot 10^{-31}kg} שהם 5.486 ⋅ 10 − 4 D a {\displaystyle 5.486\cdot 10^{-4}Da} , ומשקילת אנרגיה-מסה 8.19 ⋅ 10 − 14 J {\displaystyle 8.19\cdot 10^{-14}J} שהם 0.511 M e V / c 2 {\displaystyle 0.511MeV/c^{2}} . מסת המנוחה של אלקטרון היא גם קבוע יסודי ושכיח בפיזיקה ובכימיה. מושגים רבים, שאולי המוכר שבהם הוא מספר אבוגדרו, מוגדרים בעזרתה: N A = M u A r ( e ) m e {\displaystyle N_{\rm {A}}={\frac {M_{\rm {u}}A_{\rm {r}}({\rm {e}})}{m_{\rm {e}}}}} בשנת 1916 הציע המדען גילברט לואיס ניוטון דגם המסביר את הקשר הכימי המצוי בין אטומים בהופכם למולקולה בכך ששני האטומים משתפים אלקטרון ברמה החיצונית להם. ב-1919 הציע המדען האמריקני אירווינג לנגמאיר פירוש לדגם של לואיס, בכך שהאלקטרונים נמצאים תמיד בצמדים בכל רמת עירור, כאשר לכל אחד מהאלקטרונים אזור אליפטי קבוע, ושהקשרים בין האטומים נוצרים על ידי שיתוף אחד עד ארבעה אזורים אלו. ב-1923 השלימו וולטר הייטלר ופריץ לונדון את ההסבר בתיאור מדויק על-פי מכניקת הקוונטים שהייתה אז בחיתוליה. ב-1924 הסביר המדען האוסטרי וולפגנג פאולי את המבנה הבדיד של רמות העירור האלקטרוניים בנוסחה בעלת ארבעה מקדמים, המגדירים כל מצב אנרגיה קוואנטית של האטום. לפי נוסחה זו, יכול להיות אך ורק אלקטרון אחד בכל מצב אנרגיה קוואנטית. תנאי זה נקרא מאוחר יותר "עקרון האיסור של פאולי". המקדם האחרון בנוסחה יכול לקבל שני מצבים, וההסבר הפיזיקלי לכך ניתן רק בשנת 1927 בידי פרופסור שמואל אברהם גודשמיד וצוותו, כאשר הציעו שלאלקטרון יש גם אנרגיה השמורה בסיבובו סביב הציר של עצמו. סיבוב זה יכול להיות באחד משני כיוונים. סיבוב זה נודע מאוחר יותר כ"ספין". האלקטרונים משמשים ליצירת קשר קוולנטי, שהוא סוג של קשר כימי בין אטומים. הבסיס ליצירת קשר קוולנטי הוא הנטייה של אטומים מסוימים להגיע למצב נייטרלי בדומה לאטום גז אציל באמצעות הוספת אלקטרונים. נטייה זו מתאפיינת בתכונתם של האלקטרונים סביב האטום להתפרס באורביטלים (מסלולים), שבהם עשויים להיות שני אלקטרונים לכל היותר. ברמת האנרגיה הגבוהה ביותר בכל אטום (מלבד מימן והליום) נמצאים ארבעה אורביטלים, שבהם עשויים להתקיים אורביטלי זוגות אלקטרונים, ואורביטלי אלקטרונים חופשיים (ראו הרחבה בערך קשר קוולנטי). קונפיגורציה אלקטרונית צפיפות אלקטרון חלקיק תת-אטומי פרוטון נייטרון האפקט הפוטואלקטרי מיון החלקיקים המודל הסטנדרטי פולריזביליות מאתר ה-Particle Data Group ארז גרטי, חלקיקי החומר – האלקטרון, במדור "מאגר המדע" באתר של מכון דוידסון לחינוך מדעי, 4 ביולי 2011 אלקטרון, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית) אלקטרונים, דף שער בספרייה הלאומית Fundamental Physical Constants from NIST, physics.nist.gov באנגלית על גילוי הספין - גודשמיד מספר על עצמו.