אלקטרון

אֵלֶקְטְרוֹן (סימול: ) 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-). האלקטרון נחשב לחלקיק יסודי, כלומר, לא ידוע על קיום מבנה פנימי שלו. האלקטרון הוא לפטון מהדור הראשון. לאלקטרון יש ספין שערכו , 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 , 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-.

היסטוריה 
בעת העתיקה גם אלו שהבינו כי ישנם אטומים, חשבו כי האטומים הם החלקיק הקטן ביותר. אולם בשנת 1897 גילה ג'יי ג'יי תומסון כי חומרים נפלטים מכול חומר שהוא הם שליליים ונצמדים לצד החיובי. תכונה זו הוכיחה שאכן, ישנם חלקיקים יותר קטנים מאטום שנמצאים בתוכו.

תכונות

דואליות

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.

חשמל
לאלקטרון מטען חשמלי של  קולון, דהיינו, מטען חשמלי שלילי (יחידה שלילית אחת של מטען יסודי). מסת המנוחה של האלקטרון היא  קילוגרם, או , שהם כ- 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".

רמות עירור
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).

מסת מנוחה של אלקטרון

המונח מסת מנוחה הוא מונח יחסותי, וככזה הוא מוגדר ומחושב על ידי תורת היחסות הפרטית. כמו כל מסה אחרת מדובר בגודל סקלרי.
מסת המנוחה מוגדרת:

- מסת מנוחה, (E)-אנרגיה, (P)-תנע,  –מהירות האור בריק

ובמידה גם על ידי:

את ערכה ניתן לחלץ מקבוע רידברג בהצגתו השכיחה ביותר:

-מסת המנוחה של אלקטרון, α- קבוע המבנה העדין, h- קבוע פלאנק, R∞- קבוע רידברג, ו - 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-  שהם , ומשקילת אנרגיה-מסה  שהם .

מסת המנוחה של אלקטרון היא גם קבוע יסודי ושכיח בפיזיקה ובכימיה. מושגים רבים, שאולי המוכר שבהם הוא מספר אבוגדרו, מוגדרים בעזרתה:

קשרים קוולנטיים וספין
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".

גילוי האלקטרון
מקור המושג "אלקטרון" הוא בגילוי של היוונים כי חומר שנקרא "ענבר" ששופשף בצמר משך אליו גופים אחרים. הפיזיקאי ג'יי ג'יי תומסון הושפע מעבודותיהם של ג'יימס קלרק מקסוול ווילהלם רנטגן בנושא שפופרת קרן קתודית. הוא הסיק שהקרינה הנפלטת מקתודה מורכבת מחלקיקים הטעונים מטען שלילי, שלהם קרא "גופיפים" (corpuscles), ושהיום ידועים כאלקטרונים. 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 התפרסמה ב-1897 ועוררה התרגשות בקהילה המדעית, והובילה בסופו של דבר לזכייתו בפרס נובל לפיזיקה בשנת 1906.

כימיה
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).

ראו גם
קונפיגורציה אלקטרונית
צפיפות אלקטרון
חלקיק תת-אטומי
פרוטון
נייטרון
האפקט הפוטואלקטרי
מיון החלקיקים
המודל הסטנדרטי
פולריזביליות

קישורים חיצוניים

 מאתר ה-Particle Data Group

הערות שוליים

כימיה פיזיקלית
חלקיקים אלמנטריים
לפטונים
פרמיונים
פיזיקה אטומית