Elektron

For den russiske tråleren, se «Elektron», for magnesiumlegeringen, se Elektron (legering).

Et elektron er en elementær subatomær partikkel med en negativ elektrisk ladning. I et atom er kjernen av protoner og nøytroner omgitt av elektroner i en elektronkonfigurasjon. Ordet elektron ble først brukt i 1894 og har sin opprinnelse i det greske ordet ἤλεκτρον, som betyr rav. Elektrostatisk ladning kan skapes ved å gni rav med dyreskinn. -on-endelsen, som er felles for navnene på de fleste subatomære partiklene, ble brukt i analogi til ordet ion.

Elektroner i bevegelse utgjør elektrisk strøm som kan brukes til å måle mange fysiske egenskaper. Elektrisk strøm over tid er en form for energi (elektrisitet) og utnyttes som en praktisk måte å utføre arbeid på.

Variasjoner i elektriske felt som skapes ved varierende antall elektroner og forskjellige konfigurasjoner i atomer bestemmer de kjemiske egenskapene til elementene. Disse feltene spiller en grunnleggende rolle i kjemiske bindinger og kjemi.

Hver gang vi har endret vår oppfatning av elektroners vesen, har grunnen vært lagt for ny teknologi. Den gangen elektroner ble oppfattet som små planeter i bane i et miniatyr-solsystem, oppfant man den elektriske motor, lyspærer og telefonen. Da man gikk over til å se på elektroner som utgangspunkt for stråling, fikk man oppfinnelser med navn etter radiation (engelsk for «stråling»), slik som radar og radio. I foreløpig siste runde, der man har oppdaget elektronenes evne til å teleportere (forsvinne for å dukke opp igjen et helt annet sted), fikk vi datamaskinen.

 Elektroner i praksis 

 Klassifisering av elektroner 

Elektronet hører til en familie av elementærpartikler kalt leptoner. Som andre små partikler, kan også elektronet oppføre seg som bølger; dette kalles bølge-partikkel dualiteten. Det kan vises at elektroner kan interferere med hverandre, for eksempel i dobbeltspalteforsøket.

Positronet er elektronets antipartikkel. Det har samme masse, men positiv ladning. Begrepet negatron blir noen ganger brukt for å referere til vanlige elektroner, slik at begrepet elektron kan brukes for å beskrive både positroner og negatroner, som foreslått av Carl D. Anderson. Under vanlige omstendigheter, refererer elektron kun til den negativt ladde partikkelen.

 Elektronets egenskaper og oppførsel 

Elektroner har en negativ elektrisk ladning på −1.6 × 10−19 coulomb, og en masse på 9,11 × 10−31 kg (0.51 MeV/c2), som er omtrent 1⁄1836 av protonets masse. Elektronet er vanligvis representert som e−.

Elektroner (og ladning generelt) i bevegelse kalles elektrisk strøm. De fleste elektroner på jorden finnes bundet i atomer. Disse kan som regel ikke bevege seg fritt, siden de fleste stoffer er isolatorer. Derimot kan ledningselektronene i metaller bevege seg fritt mellom atomene/molekylene, og metaller er dermed elektriske ledere. Elektroner kan også bevege seg samlet gjennom vakuum som en elektronstråle. Elektroner i metaller og andre ledere ligger ikke i ro. De beveger seg i alle frie retninger og med forskjellige hastigheter. Denne aktiviteten stiger proporsjonalt med den absolutte temperaturen. Statistisk sett er det ingen netto bevegelse, her går ingen netto strøm. Disse tilfeldige bevegelsene er årsaken til støy i elektroniske komponenter.

Elektroner i bevegelse har et sirkulært magnetfelt som står på tvers av bevegelsesretningen. Dette kan enkelt demonstreres ved å holde en magnet inntil en bilderørskjerm, slik at bildet avbøyes (vris) sirkulært rundt magneten. Elektronets magnetiske egenskaper utnyttes blant annet i spoler, såkalte elektromagneter. Ved å indusere en elektronstrøm i en superleder, får man en supersterk magnet.

Statisk elektrisitet er ikke en strøm av elektroner. Statisk elektrisitet henviser til et legeme som har flere eller færre elektroner enn det som skal til for å balansere atomkjernenes positive ladning. Når det er overflødige elektroner, sies objektet å være negativt ladet. Når det er færre elektroner enn protoner, sies objektet å være positivt ladet. Når antall elektroner og protoner er likt, sies objektet å være elektrisk nøytralt.

Elektronet er en elementærpartikkel— det betyr at det ikke har noen substruktur (i hvert fall har ikke eksperimenter funnet noen så langt, og det er god grunn til å tro at det ikke finnes noen). Derfor blir elektronet vanligvis beskrevet som punkt-liknende, dvs. uten romlig utstrekning. Samtidig er det omgitt av en sky av virtuelle partikler, som regnes som en del av selve elektronet. Denne skyen har en romlig utstrekning. Hvis en kommer veldig nært et elektron, merker en at dets egenskaper (ladning og masse) tilsynelatende forandrer seg. Dette er en effekt felles for alle elementærpartikler: Partikkelen har en innflytelse på vakuumfluktuasjonene i nærheten, slik at egenskapene en observerer fra langt unna, er summen av egenskapene og vakuumeffektene (se renormalisering). Elektroner og positroner kan tilintetgjøre hverandre og produsere to fotoner, og omvendt. To fotoner med høy energi kan omdannes til ett elektron og ett positron i en prosess som kalles parproduksjon.

Elektronet har spinn ½, som medfører at det er et fermion, dvs., oppfyller Fermi-Dirac statistikken. Som konsekvens av dette kan to elektroner aldri kan være i samme kvantetilstand (pauliprinsippet).

Elektroner kan enten være bundne eller frie.

Bundne elektroner finner vi f.eks. i atomer hvor tiltrekningen fra atomkjernen er sterk nok til å binde elektronene. Et bundet elektron vil til enhver tid være i en kvantetilstand karakterisert ved energi, angulært moment og spinn, hvor verdien til disse ifølge kvantemekanikken er kvantisert, dvs. de kan bare ta visse verdier. De lovlige tilstandene til energi, angulært moment og spinn definerer det periodiske system. Bundne elektroner lar seg ikke beskrive klassisk, men til gjengjeld gir kvantemekanikken en meget god beskrivelse. 
Det er en fysisk konstant kalt den klassiske elektronradiusen, med en verdi på 2.8179 × 10−15 m. Merk at dette er radiusen som en kan slutte fra dets ladning hvis fysikken kun er beskrevet med den klassiske teorien om elektrodynamikk og ikke kvantemekanikk (dermed er dette et utdatert konsept som likevel noen ganger er nyttig i utregninger).
Andre typer tiltrekninger kan også binde elektroner, f. eks. magnetfelt (såkalt Landau-kvantisering) og gjennom gitterviberasjoner (fononer) i et krystallgitter, noe som gir opphav til supraledning.

Frie elektroner finner vi i vakuum og som frie ledningselektroner i metaller. Frie elektroner kan i motsetning til de bundne ha vilkårlige verdier for kvantetilstandene energi og angulært moment. Dette ligger dermed nærmere bildet av klassiske partikler.

Et resultatet fra kvantemekanikken er at elektronets nøyaktige bevegelsesmengde og posisjon kan ikke samtidig bestemmes. Dette er en begrensning beskrevet av Heisenbergs uskarphetsrelasjon, som sier at jo mer nøyaktig vi kjenner posisjon til en partikkel, dess mindre nøyaktig kan vi kjenne partikkelens bevegelsesmengde, og omvendt.

Elektronets fart i vakuum kan nærme seg, men vil aldri nå, c, lyshastigheten i vakuum. Dette er en virkning av spesiell relativitetsteori. Spesiell relativitetsteori er basert på en størrelse kjent som gamma eller Lorentz faktoren. Gamma er en funksjon av v, partikkelens hastighet, og c. Det følgende er en formel for gamma:

Energien som skal til for å akselerere en partikkel er gamma minus en ganget med hvilemassen. For eksempel, den lineære akseleratoren ved Stanford kan akselerere et elektron til omtrent 51 GeV. Dette gir en gamma på 100 000 gitt at hvilemassen av et elektron er 0.51 MeV/c² (den relativistiske massen av dette hurtige elektronet er 100 000 ganger dets hvilemasse). Ved å løse likningen ovenfor for elektronets fart får vi:

 = 0.999 999 999 95 c.

(Denne formelen gjelder for store verdier av γ.)

 Elektroner i universet 

Trolig finnes det minst 1079 elektroner i det kjente universet. Dette antallet tilsvarer en tetthet på cirka et elektron per kubikkmeter i rommet.

Basert på den klassiske elektronradiusen og ved å anta en tett sfæreinnpakkning, kan det regnes at antallet elektroner som vil passe i det synlige univers være på mengden 10130. Selvfølgelig er dette tallet enda mindre meningsfullt enn den klassiske elektronradiusen selv.

 Elektroner i industri 

Elektronstråler brukes i sveising så vel som i litografi.

 Elektroner på laboratoriet 

 Grunnleggende eksperimenter 

Det at ladning er kvantisert ble observert av Robert Millikan i Oljedråpeeksperimentet i 1909.

 Bruk av elektroner på laboratoriet 
Elektronmikroskop brukes til å forstørre detaljer opptil 500 000 ganger. Elektronenes kvantevirkninger brukes i Scanning tunneling mikroskop til å studere kjennetegn på atomnivået.

 Elektroner i teori 

I kvantemekanikk, beskrives elektronet av Dirac-likningen. I Standardmodellen for partikkelfysikk, former det en doublet i SU(2) med elektron nøytrinet, da disse vekselvirker gjennom svak vekselvirkning. Elektronet har enda to enorme partnere, med samme ladning, men annen masse: myonet og tau-leptonet.

Antimaterie motstykket til elektronet er dets antipartikkel, positronet. Positronet har like stor elektrisk ladning som elektronet, bortsett fra at ladningen er positiv. Det har samme masse og spinn som elektronet. Når et elektron og et positron møtes kan de annihilere hverandre, og gi opphav til to gammastråle-fotoner, hver med energi på 0.511 MeV (511 keV). Se også Elektron-positron-annihilering.

Elektroner er også et nøkkelelement i elektromagnetisme, en tilnærmet teori som nøyer seg for makroskopiske systemer.

 Historie 

Elektronet som en enhet for ladning i elektrokjemien ble foreslått av G. Johnstone Stoney i 1874. Han oppfant også selve ordet elektron i 1894.

Elektronet ble oppdaget av Joseph John Thomson i 1897 i Cavendish Laboratory ved University of Cambridge i forbindelse med en undersøkelse av det man kalte «katodestråler», som egentlig er elektronstråler. Med innflytelse fra James Clerk Maxwell, og oppdagelsen av røntgenstråler, sluttet han katodestrålenes eksistens og at de var negativt ladde «partikler», som han kalte «korpuskler». Han publiserte sin oppdagelse i 1897.

Periodeloven sier at elementenes kjemiske egenskaper stort sett gjentar seg selv periodisk, og er grunnlaget for periodetabellen. Loven ble først forklart ved atommassene til elementene. Men fordi det fantes enkelte anomalier i tabellen, lette man etter en bedre forklaring. I 1913 introduserte Henry Moseley konseptet atomtall, og forklarte periodeloven gjennom antallet protoner hvert av elementene har. Samme året viste Niels Bohr at elektroner er det egentlige fundamentet i tabellen. II 1916 forklarte Gilbert Newton Lewis og Irving Langmuir elementenes kjemiske bindinger ved elektronenes vekselvirkninger.

 Se også 

 Standardmodell
 Elementærpartikkel
 Subatomær partikkel
 Proton
 Positron
 Nøytron
 Fotoelektrisk effekt
 Lyn
 Katodestråler
 Elektrisitet
 Fermion felt
 Galvanisk skille

 Referanser 

 Litteratur 
 
 
 Brumfiel, G. (6. januar 2005). Can electrons do the splits? I Nature, 433, 11.

 Eksterne lenker 
 Elektronets oppdagelse  fra The American Institute of Physics History Center
 Particle Data Group
 Stoney, G. Johnstone, «Om 'Elektronet,' eller Elektrisitetens Atom''». Philosophical Magazine. Serie 5, Volum 38, s. 418-420 Oktober 1894.
 Eric Weisstein's World of Physics: Elektron

Elementærpartikler
Elektrisitet