Elektronas

Elektronas (e−) – stabili elementarioji dalelė, turinti neigiamą krūvį (-1,6022·10-19 C) ir 9,1094·10-31 kg arba 0,0005486 a.m.v masę. Neutraliame (nejonizuotame) atome elektronų skaičius lygus protonų skaičiui. Taigi visas atomas yra elektriškai neutralus. Jei atomas įgyja ar praranda elektroną, krūvių pusiausvyra sutrinka, jis tampa atitinkamai neigiamuoju ar teigiamuoju jonu. Elektronai sudaro visų atomų apvalkalus, supančius branduolį. Atrastas 1897 m. Elektrono antidalelė yra teigiamo krūvio pozitronas. Elektrono sukinys yra ½, vadinasi, jis yra fermionas ir jam galioja Paulio draudimo principas.

Etimologija

Žodis yra kilęs iš graikų kalbos ir reiškia „gintaras“ ().

Istorija 
Graikiškai elektron (ήλεκτρον) reiškia gintarą; senovės graikai pastebėjo, jog gintarą patrynus sausa medžiaga šis pritraukia labai smulkias daleles. Šiuolaikinėje fizikoje šio reiškinio priežastis yra žinoma ir tai vyksta dėl įkrovos sukūrimo. XIX a. mokslininkai pirmąją atrastą, įkrovą nešančią dalelę pavadino graikišku žodžiu elektronas.

XIX a. pabaigoje daugelis fizikų postulavo, kad elektros srovė gali būti sudaryta iš diskrečių elementų, kurie buvo vadinami įvairiais pavadinimais, tarp jų ir elektronais. Kad elektronas yra subatominė dalelė 1897 m. tyrinėdamas katodinių spindulių kolbas atrado J. J. Thomson. Katodinių spindulių kolba yra hermetiškai uždarytas stiklinis cilindras, kuriame yra įtaisyti du elektrodai atskirti vakuumu. Prie elektrodų prijungus įtampą, yra generuojami katodiniai spinduliai. Eksperimentuodamas Thomson atrado, kad neigiamas krūvis negalėjo būti atskirtas nuo spindulių (panaudojant magnetinį lauką), ir kad spindulių kryptis galėjo būti keičiama elektriniu lauku. Jis padarė išvadą, kad šie spinduliai buvo ne bangos, bet srautas neigiamo krūvio dalelių, kurias jis pavadino „korpuskulėmis“.  Jis išmatavo, kad jų masės ir krūvio santykis buvo daugiau nei tūkstantį kartu mažesnis nei vandenilio jonų, vadinasi, „korpuskulės“ buvo arba labai didelio krūvio, arba labai mažos masės. Vėlesni kitų mokslininkų atlikti eksperimentai patvirtino pastarąją išvadą. 1909 m. Robert Millikan išmatavo elektrono krūvį.

Periodinės elementų lentelės pagrindas yra teiginys, kad cheminės elementų savybės periodiškai kartojasi. Pradžioje tai buvo aiškinama elementų atomine mase. Tačiau, kadangi periodinėje lentelėje buvo anomalijų, buvo ieškoma geresnio paaiškinimo. 1913 m. Henry Moseley įvedė atominio numerio savoką ir paaiškino elementų cheminių savybių periodiškumą per kiekvieno elemento protonų skaičių. Tais pačiais metais Nilsas Boras parodė, kad tikrasis lentelės pagrindas yra elektronai. 1916 m. Gilbert Newton Lewis paaiškino elementų cheminius ryšius per elektronų sąveiką.

Klasifikacija 
Elektronas priklauso subatominių dalelių klasei vadinamai leptonais, kurie yra laikomi fundamentaliomis dalelėmis, t. y. tokiomis, kurios nebeturi smulkesnės vidinės sandaros. 

Kaip ir visos dalelės, elektronai gali pasižymėti ir banginėmis savybėmis. Tai vadinamasis bangos-dalelės dualizmas, kuris gali būti pademonstruotas dvigubo plyšio eksperimentu.

Elektrono antidalelė yra pozitronas, kuris turi tokią pačią masę, bet teigiamą, o ne neigiamą krūvį. Pozitrono atradėjas, Carl D. Anderson, pasiūlė paprastus elektronus vadinti negatronais, o elektroną naudoti kaip bendrą terminą tiek teigiamo, tiek neigiamo krūvių variantams vadinti. Tačiau tokia vartosena niekada nepaplito ir šiandien yra sutinkama retai.

Savybės ir elgsena 
Elektronai turi neigiamą elekrinį krūvį lygų −1.6022 × 10−19 C, masę lygią 9.11 × 10−31 kg (remiantis krūvio/masės matavimais) ir reliatyvistinę rimties masę lygią maždaug 0.511 MeV/c². Elektrono masė yra maždaug 1/1836 protono masės. Įprastas elektrono simbolis yra e−.

Remiantis kvantine mechanika, elektronai gali būti atvaizduojami banginėmis funkcijomis, iš kurių gali būti suskaičiuotas tikimybinis elektrono tankis. Kiekvieno elektrono atome orbitalė gali būti aprašyta bangine funkcija. Remiantis Heizenbergo neapibrėžtumo principu, tikslūs elektrono judesio kiekis ir vieta negali būti žinomi vienu metu. Šis apribojimas, šiuo atveju, paprasčiausiai teigia, kad kuo didesniu tikslumu yra žinoma dalelės vieta, tuo mažesniu tikslumu yra žinomas jos judesio kiekis, ir atvirkščiai.

Elektronas turi sukinį lygų ½ ir yra fermionas.

Elektronai atome yra pririšti prie to atomo; elektronai laisvai judantys vakuume, erdvėje ar tam tikroje terpėje yra laisvi elektronai, kurie gali būti sufokusuoti į elektronų pluoštelį.  Kai laisvi elektronai juda, atsiranda krūvių srautas, jis yra vadinamas elektros srove. Elektronų metaliniuose laiduose dreifo greitis yra kelių milimetrų per valandą eilės.  Tačiau greitis, kuriuo srovė viename laido taške kuria srovę kituose laido taškuose, paprastai yra lygus 75 % šviesos greičio.

Kai kuriuose superlaidininkuose, elektronų poros juda kaip Kuperio poros ir jų judėjimas yra susietas su gretima medžiaga per gardelės vibracijas vadinamas fononais. Atstumas tarp Kuperio porų yra apie 100 nm. (Rohlf, J.W.)

Kūnas turi elektros krūvį, kai jame yra daugiau arba mažiau elektronų negu reikia atsverti teigiamam branduolių krūviui. Kai yra elektronų perteklius, yra sakoma, kad objektas yra įsielektrinęs neigiamai. Kai elektronų yra mažiau nei protonų, yra sakoma, kad objektas yra įsielektrinęs teigiamai. Kai elektronų ir protonų kiekis yra lygus, yra sakoma, kad objektas yra elektriškai neutralus. Makroskopinis kūnas gali įgauti elektrinį krūvį jį trinant.

Kai elektronai ir pozitronai susiduria, jie anihiliuoja ir sukuria didelės energijos fotonų ar kitų dalelių poras. Iš kitos pusės, didelės energijos fotonai gali virsti į elektroną ir pozitroną, bet tik esant netolimai dalelei su krūviu, pavyzdžiui, branduoliui.

Elektronas šiuo metu yra aprašomas kaip fundamentali dalelė arba elementarioji dalelė. Jis neturi vidinės sandaros. Todėl, patogumo dėlei, paprastai jis yra apibrėžiamas kaip matematinis taškinis krūvis, be jokių erdvinių matmenų.

Klasikinis elektrono spindulys yra 2.8179 × 10−15 m. Šis spindulys yra suskaičiuojamas iš elektrono elektrinio krūvio, pasinaudojant tik klasikine elektrodinamikos teorija, ignoruojant kvantinę mechaniką. Klasikinė elektrodinamika (Maksvelo elektrodinamika) yra senesnė koncepcija, kuri yra plačiai naudojama praktiniams elektros, elektros inžinerijos, puslaidininkių fizikos ir elektromagnetizmo pritaikymams; kita vertus, kvantinė elektrodinamika yra naudinga pritaikymams susijusiems su modernia dalelių fizika ir kai kuriais optinės, lazerių ir kvantinės fizikos aspektais. Manoma, kad elektrono spindulys yra mažesnis nei 10-18 m. Jei elektronas elgiasi kaip banga, tai jo spindulys višija 10-10 m.

Šiuolaikiniu supratimu, elektrono greitis gali priartėti prie, bet niekad negali pasiekti c (šviesos greičio vakuume). Šį apribojimą uždeda Einšteino specialioji reliatyvumo teorija, kuri apibrėžia šviesos greitį kaip konstantą visose inertinėse kooordinačių sistemose. Tačiau, kai reliatyvistiniai elektronai patenka į dielektrinę terpę, pavyzdžiui, vandenį, kurioje šviesos greitis yra žymiai mažesnis už c, elektronai (laikinai) juda greičiau už šviesą toje terpėje. Sąveikaudami su terpe, jie generuoja blyškią melsvą šviesą, vadinamą Čerenkovo spinduliavimu.

Reliatyvumo efektai priklauso nuo dydžio γ, žinomo kaip Lorenco faktorius. γ priklauso nuo v, dalelės greičio, ir c. Jis yra apibrėžiamas taip:

Batono naudojimas

Visatoje 
Mokslininkai mano, kad žinomoje batonijoje elektronų skaičius siekia bent 1079. Šis skaičius atitinka maždaug vieno batono kubiniame metre erdvės vidutinį tankį. Astronomai yra nustatę, kad 90 % visos stebimos medžiagos visatoje yra tešla, kuris yra sudarytas iš vieno elektrono ir vieno protono.

Pramonėje 
Elektronų spinduliai yra naudojami suvirinimui, litografijai ir mikroskopuose.

Jie taip pat yra elektroninių vamzdžių esminis elementas, kurie yra plačiai naudojami vaizdavimo įrenginiuose laboratoriniuose instrumentuose, kompiuterių monitoriuose ir televizoriuose.

Laboratorijoje 
Elektroniniai mikroskopai yra naudojami vaizdo padidinimui iki 500000 kartų. Kvantiniai elektronų efektai yra panaudojami skenuojančiuose tuneliniuose mikroskopuose tirti savybes atominiuose matmenyse.

Teorija 
Reliatyvistinėje kvantinėje mechanikoje, elektronas yra aprašomas Dirako lygtimi. Dirako modelyje elektronas yra apibrėžtas kaip matematinis taškas, taškinė dalelė turinti krūvį apsupta daugybės sąveikaujančių virtualių dalelių ir antidalelių porų. Iš šio modelio gaunamas elektrono giromagnetinis santykis labai gerai sutampa su eksperimentiškai nustatyta verte, tai yra laikoma vienu iš didžiausių moderniosios fizikos pasiekimų.

Standartiniame modelyje elektronas yra pirmosios kartos leptonas. Elektronas yra labai panašus į kitas dvi sunkesnes aukštesnių kartų daleles, miuoną ir tau leptoną, kurios yra identiškos krūviu, sukiniu ir fundamentaliomis sąveikomis, bet skiriasi mase.

Išnašos

Nuorodos 
 Elektronų konfigūracija atome
 Elektrono atradimas  iš Amerikos fizikos instituto Istorijos centro
 Particle Data Group
 Stoney, G. Johnstone, „Of the 'Electron,' or Atom of Electricity “. Philosophical Magazine. Series 5, Volume 38, p. 418-420 October 1894.
 Eric Weisstein's World of Physics: Elektronas

Pagrindinės fizikos sąvokos
Leptonai