Elektron

Elektron adalah satu zarah subatom keunsuran berjisim ringan yang membawa cas negatif cas elektrik. Elektron mempunyai spin 1/2 (fermion), tidak terlibat di dalam salingtindak kuat (lepton) dan tidak mempunyai substruktur. Bersama dengan nukleus atom, elektron membina atom-atom; mereka bertanggungjawab kepada ikatan kimia. Pengaliran elektrik dalam pengalir (pengkonduksi) pepejal  adalah disebabkan pergerakan elektron-elektron.

Pendahuluan 
Dalam sesuatu atom, elektron mengelilingi nukleus atom bagi proton dan neutron dalam tatarajah elektron.  

Elektron-elektron yang bergerak menghasilkan arus elektrik yang boleh dipergunakan oleh ahli-ahli sains dan jurutera-jurutera untuk mengukur banyak sifat fizik. Arus elektrik wujud untuk tempoh yang terbatas dan menghasilkan elektrik (pergerakan cas) yang boleh dimanfaatkan sebagai cara yang praktik untuk melakukan kerja.

Pemahamanan tentang elektron-elektron telah berubah secara dramatik sejak beberapa abad yang lalu, dengan perubahan yang paling penting mungkin merupakan perkembangan mekanik kuantum pada abad ke-20 dan idea kedualan zarah-gelombang, iaitu elektron menampilkan kedua-dua sifat zarah dan gelombang. Yang serupa penting, fizik zarah telah meluaskan pemahaman kita terhadap elektron secara tidak terhingga.

Perubahan dalam medan elektrik yang dijanakan oleh bilangan elektron yang berbeza dan tatarajah atom menentukan sifat kimia unsur-unsur yang ada. Medan-medan ini memainkan peranan yang asas dalam ikatan-ikatan kimia dan bidang kimia itu sendiri.

Penamaan 
Istilah electron dikemukakan oleh ahli fizik Ireland, George Stoney pada akhir abad ke-19. Istilah ini adalah gabungan daripada perkataan electric dan ion. Perkataan "elektrik" itu sendirinya berakar daripada Yunani iaitu ήλεκτρον (elektron) yang membawa maksud "ambar".

Sejarah 
Konsep elektron sebagai unit cas dalam elektrokimia dicadangkan oleh George Stoney pada 1874. Ketika lewat 1890-an, sebilangan ahli fizik mendakwa bahawa elektrik boleh dikatakan terbentuk daripada unit-unit yang lebih diskret, dan diberi pelbagai nama, tetapi belum disahkan secara kukuh.

Pada 1897, ahli fizik, J. J. Thomson dan rakan-rakannya menjalankan uji kaji di Makmal Cavendish, Universiti Cambridge berkaitan dengan sinar katod (sinar yang terhasil di dalam tiub sinar katod yang dihidupkan), dan mendapati bahawa zarah-zarah yang membentuk sinar katod ialah zarah yang tersendiri, dan bukannya sejenis gelombang, atom atau molekul. Selain itu, beliau menemui nisbah jisim, m kepada cas elektrik, e dan mendapati bahawa nisbah e kepada m adalah tidak tertakluk kepada bahan katod. Beliau mendapati bahawa zarah-zarah yang membentuk sinar katod adalah lebih kurang seribu kali lebih ringan daripada zarah yang paling ringan diketahui pada masa itu, hidrogen. Beliau membuat kesimpulan bahawa zarah bercas negatif ini adalah universal dan tertakluk pada semua atom. Beliau menggelar zarah ini sebagai corpuscles.

Cas elektrik dikaji dengan lebih mendalam oleh Robert Millikan and Harvey Fletcher melalui eksperimen titisan minyak, sebuah uji kaji untuk menghalang titisan minyak bercas daripada jatuh akibat graviti dengan menggunakan medan elektrik.

Teori atom 
Pada 1914, uji kaji oleh beberapa orang ahli fizik banyak menyumbang kepada perkembangan konsep struktur atom, yakni atom terdiri daripada nukleus padat bercas positif yang dikelilingi elektron berjisim rendah. Pada 1913, Niels Bohr membuat postulat bahawa elektron memiliki tahap-tahap tenaga berkuantum yang ditentukan oleh momentum sudut orbit elektron di sekeliling nukleus. Elektron-elektron boleh bergerak antara tahap-tahap tersebut melalui pancara atau serapan foton berfrekuensi tertentu. Melalui konsep ini, beliau dapat menghuraikan garis spektrum atom hidrogen, tetapi gagal mengambil kira keamatan garis spektrum serta gagal menghuraikan garis spektrum atom unsur-unsur yang lebih rumit.

Kewujudan

Di dalam alam semesta 
Jumlah elektron di dalam alam semesta dianggarkan sekurang-kurangnya 1079 elektron, menjadikan ketumpatan elektron sebanyak satu elektron per meter padu ruang. Berdasarkan jejari elektron klasik dan pemadatan sfera yang kuat, jumlah elektron yang dianggarkan dapat muat dalam alam semesta boleh cerap berada pada tahap 10130.

Ciri-ciri

Pengelasan 
Elektron merupakan salah satu kelas zarah subatom yang dipanggil sebagai lepton. Lepton dipercayai merupakan zarah keunsuran, iaitu zarah ini tidak boleh dipecahkan lagi menjadi unsur-unsur juzuk. Bagaimanapun, istilah "zarah" adalah agak mengelirukan kerana mekanik kuantum menunjukkan bahawa elektron-elektron juga bertindak sebagai gelombang, umpamanya dalam ujikaji celah ganda dua; ini dipanggil sebagai kedualan zarah-gelombang.

Antizarah untuk elektron ialah positron yang mempunyai jisim yang sama, tetapi mempunyai cas positif dan bukannya cas negatif. Carl D. Anderson, penemu positron, mencadangkan nama negatron untuk elektron piawai, dan nama elektron sebagai istilah generik untuk memerihalkan kedua-dua kelainan cas positif serta cas negatif. Bagaimanapun, kegunaan istilah ini tidak mendapat sambutan, dan amat jarang ditemukan pada hari ini.

Sifat fizik 
Elektron mempunyai cas negatif, dengan magnitud −1.6 × 10−19  C dan jisim elektron ialah 9.11 × 10−31 kg (0.51 MeV/c2), iaitu lebih kurang 1/1836 daripada jisim proton. Elektron kerap ditulis sebagai e−.

Elektron mempunyai spin ½ dan merupakan sejenis fermion (elektron mematuhi Statistik Fermi-Dirac). Lanjutan kepada momentum sudutan dalamannya ini, elektron juga mempunyai momen magnet pada paksi spinnya.

Elektron boleh ditemui dalam atom, bergerak secara bebas dalam jirim, atau bersama-sama dalam sinar elektron dalam vakum. Dalam sesetengah superkonduktor, elektron bergerak dalam pasangan Cooper, di mana gerakan elektron digandingkan kepada jirim melalui getaran kekisi yang dikenali sebagai fonon. Apabila elektron bergerak, bebas daripada nukleus atom, dan mempunyai aliran bersih, aliran ini dikenali sebagai arus elektrik.

Satu jasad mempunyai cas statik apabila jasad itu adalah dalam kelebihan atau kekurangan elektron untuk mengimbangi cas nukleus. Apabila elektron adalah dalam berlebihan, jasad itu akan bercas negatif manakala apabila elektron adalah dalam kekurangan, jasad itu akan bercas positif. Apabila bilangan elektron adalah sama dengan bilangan proton, cas-cas ini akan membatalkan kesan yang dibawa oleh zarah-zarah tersebut dan jasad itu dikatakan bersifat neutral. Jasad makroskopik boleh memperoleh cas melalui gosokkan, melalui fenomena triboelektrik. Elektron dan positron boleh menghapus sesama sendiri (musnahabis) secara mutlak dan menghasilkan sepasang foton. Walau bagaimanapun, foton yang bertenaga tinggi dapat membentuk elektron dan positron melalui proses yang dikenali sebagai penghasilan pasangan.

Elektron ialah sejenis zarah asas — elektron tidak mempunyai substruktur (sekurang-kurangnya sifat ini masih belum ditemui menerusi eksperimen dan terdapat sebab-sebab yang baik untuk menolak kewujudannya). Hatta, elektron sentiasa disifatkan sebagai satu zarah titik yang tidak mempunyai lanjutan. Walau bagaimanapun, apabila seseorang menghampiri elektron, ciri-ciri seperti jisim dan cas akan kelihatan bertukar. Kesan ini adalah sepunya bagi semua zarah keunsuran: zarah itu mempengaruhi perubahan vakum di sekitarnya, sehinggakan ciri-ciri yang diperhatikan dari jauh adalah hasil tambah sifat-sifatnya dan perubahan vakum (lihat pengnormalan semula).

Terdapat satu pemalar fizik yang dipanggil jejari elektron klasik, dengan nilai 2.8179 × 10−15 m. Perhatikan bahawa nilai jejari ini diperoleh daripada casnya dan seandainya fizik hanya diterang menggunakan teori elektodinamik klasik dan tiada mekanik kuantum. Jesteru, pemalar ini merupakan konsep yang telah dimakan zaman tetapi masih berguna dalam beberapa penghitungan tertentu.

Laju elektron dalam vakum boleh menghampiri, tetapi tidak pernah mencapai, laju cahaya dalam vakum, . Pemerhatian ini disebabkan oleh kesan kerelatifan khas. Kesan kerelatifan khas adalah berdasarkan satu kuantiti yang dinamakan faktor Lorentz, .  ialah satu fungsi laju jasad itu .

Tenaga yang diperlukan untuk memecut satu zarah ialah  tolak satu darab jisim rehat. Sebagai contoh, pemecut linear yang terdapat di Stanford dapat memecut elektron kepada 51 GeV. Ini memberikan nilai  sebanyak 100 000 jika jisim rehat elektron ialah 0.51 MeV/c² (jisim relativiti bagi elektron yang bergerak dengan laju adalah 100 000 kali ganda jisim rehat elektron). Dengan menyelesaikan persamaan di atas, laju elektron ialah:

 = 0.999 999 999 95 c. 

(Rumus ini diguna pakai untuk nilai  yang besar.)

Ciri-ciri kuantum 
Dalam mekanik kuantum relatif, elektron dihuraikan dalam persamaan Dirac. Elektrodinamik kuantum (QED) mengelaskan elektron sebagai suatu zarah bercas yang dikelilingi oleh zarah maya yang membentuk vakum. Meskipun teori ini memiliki masalah teori berkaitan pengiraan yang mendapat jumlah ketidakterhinggan, satu kaedah yang dipanggil sebagai penormalan semula, yakni kaedah penghilangan terbitan ketidakteringgaan untuk mendapatkan nilai terhingga berkaitan sifat elektron, telah dijumpai. Pembetulan terhadap nilai nisbah giromagnet elektron dari 2 seperti yang diramal oleh model zarah tunggal Dirac serta nilai yang amat tepat dilihat sebagai kemajuan dalam fizik moden. Kini, terdapat tanda bahawa teori benang serta terbitannya dapat memberikan model elektron serta zarah-zarah asas lain tanpa nilai ketidakterhinggaan dalam pengiraan kerana elektron tidak lagi dilihat sebagai suatu titik tanpa dimensi. Kini, teori benang masih ketiadaan ramalan yang serupa dengan teori dalam QED yang dapat disahkan melalui uji kaji.

Menurut mekanik kuantum, elektron boleh diwakilkan dengan fungsi gelombang. Daripada fungsi gelombang, ketumpatan elektron boleh ditentukan. Setiap elektron mempunyai fungsi gelombangnya yang tersendiri yang juga dikenali sebagai orbital. Kedua-dua momentum dan kedudukan bagi elektron tidak boleh ditentukan dengan jitu serentak. Batasan ini diberikan oleh Prinsip Ketakpastian Heisenberg. Menurut prinsip ini, sekiranya kita ingin menentukan kedudukan sesuatu zarah dengan jitu, kita tidak akan berupaya menentukan momentumnya dengan jitu, dan begitulah sebaliknya.

Dalam Model Piawai bagi fizik zarah, elektron membentuk kumpulan zarah ganda dua, SU(2) dengan neutrino elektron ketika mengalami daya nukleus lemah. Selain elektron, terdapat dua zarah yang lebih besar dengan jisim berbeza, tetapi memiliki cas yang sama, iaitu muon dan lepton tau.

Positron ialah versi antizarah bagi elektron. Positron memiliki nilai cas elektron yang sama, tetapi bercas positif, dan memiliki jisim dan spin yang sama dengan elektron. Pertembungan antara elektron dengan positron akan menyebabkan musnah habis lalu menghasilkan dua foton sinar gama dengan jumlah tenaga sebanyak 0.511 MeV (511 keV) setiap satu.

Kegunaan 
Pancaran elektron digunakan dalam bidang kimpalan serta litografi.

Mikroskop elektron dapat membesarkan suatu gambar hingga 500 ribu kali. Sifat kuantum elektron digunakan dalam mikroskop penerowongan pengimbas untuk mengkaji ciri-ciri bahan pada skala atom.

Lihat juga 
 Elektrik
 Kesan fotoelektrik
 Kilat
 Medan Fermion
 Model Piawai
 Neutron
 Positron
 Proton
 Senarai zarah
 Sinar katod
 Zarah subatom

Nota

Rujukan

Buku 

 
 
 Brumfiel, G. (6 Januari 2005). Can electrons do the splits? Dalam majalah Nature, 433, 11.

Pautan luar 

Laman web Insititut Pusat Sejarah Fizik Amerika: Penemuan Elektron
 Laman web Kumpulan Data Zarah
 Stoney, G. Johnstone. "Tentang 'Elektron,' atau Atom Elektrik". Majalah Falsafah. Siri 5, Jilid 38, m.s. 418-420 Oktober 1894.
 Dunia Fizik Eric Weisstein: Elektron

 
Lepton
Konsep fizik asas
Elektrodinamik kuantum