อิเล็กตรอน

อิเล็กตรอน () (สัญลักษณ์  e-) เป็นอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าเป็นลบ  ไม่มีใครรู้จักส่วนประกอบหรือโครงสร้างพื้นฐานของมัน;   ในคำกล่าวอื่น ๆ เช่น  คาดกันโดยทั่วไปว่ามันจะเป็นอนุภาคที่เป็นมูลฐาน  อิเล็กตรอนมีมวลที่เป็นประมาณ 1/18636 เท่าของโปรตอน  โมเมนตัมเชิงมุมภายใน (สปิน) ของอิเล็กตรอนเป็นค่าครึ่งจำนวนเต็มในหน่วยของ ħ  ซึ่งหมายความว่ามันเป็น เฟอร์มิออน  (fermion)  ปฏิยานุภาคของอิเล็กตรอนเรียกว่าโพซิตรอน  มันเป็นเหมือนกันกับอิเล็กตรอนยกเว้นแต่ว่าจะมีค่าประจุไฟฟ้าและอื่น ๆ ที่มีลักษณะตรงกันข้าม  เมื่ออิเล็กตรอนชนกันกับโพซิตรอน  อนุภาคทั้งสองอาจกระจัดกระจายออกจากกันและกัน หรือถูกประลัย  (annihilate)โดยสิ้นเชิง  การผลิตคู่ (หรือมากกว่านั้น) เกิดขึ้นจากโฟตอนรังสีแกมมา  อิเล็กตรอน  ซึ่งถือเป็นรุ่นแรกของตระกูลอนุภาคเลปตอน  (lepton)  มีส่วนร่วมในแรงโน้มถ่วง  มีปฏิสัมพันธ์กับแรงแม่เหล็กไฟฟ้าและอันตรกิริยาอย่างอ่อน  อิเล็กตรอนเช่นเดียวกับสสารทั้งหมด  มีคุณสมบัติทางกลศาสตร์ควอนตัมของทั้งคู่อนุภาคและคลื่น  วิ่งอยู่รอบๆ นิวเคลียสตามระดับพลังงานของอะตอมนั้นๆ โดยส่วนมากของอะตอม จำนวน อิเล็กตรอน ในอะตอมที่เป็นกลางทางไฟฟ้าจะมีเท่ากับจำนวน โปรตอน เช่น ไฮโดรเจนมีโปรตอน 1 ตัว และอิเล็กตรอน 1 ตัว ฮีเลียมมีโปรตอน 2 ตัว และอิเล็กตรอน 2 ตัว

นักปรัชญาธรรมชาติชาวอังกฤษชื่อ ริชาร์ด เลมมิ่ง  (Richard Laming) ได้ตั้งสมมติฐานแรกที่เป็นแนวคิดของการแบ่งแยกปริมาณของประจุไฟฟ้าเพื่อที่จะอธิบายคุณสมบัติทางเคมีของอะตอมไว้ในปี ค.ศ. 1838;

คุณสมบัติ 
อิเล็กตรอนนั้นจัดได้ว่าเป็นอนุภาคมูลฐานชนิดหนึ่ง อิเล็กตรอนอยู่ในตระกูลเลปตอน (lepton) ที่เป็นอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าเท่ากับ  มีมวลประมาณ  
อิเล็กตรอนมีค่าสปิน s = 1/2 ทำให้เป็นเฟอร์มิออนชนิดหนึ่ง อิเล็กตรอนเป็นปฏิยานุภาค (anti-matter) ของโพซิตรอน

ประวัติ
ชาวกรีกโบราณ  หรือกรีซโบราณ  (ancient Greeks)  สังเกตเห็นว่าก้อนอำพันสีเหลืองสามารถดึงดูดวัตถุขนาดเล็กได้เมื่อถูกลูบไล้ด้วยขนสัตว์  นอกเหนือจากปรากฏการณ์ฟ้าแลบและฟ้าผ่า, ปรากฏการณ์นี้เป็นหนึ่งในประสบการณ์ที่เก่าแก่ที่สุดของมนุษย์ที่ถูกบันทึกไว้เกี่ยวกับไฟฟ้า  ในตำรากว่า  1600  เล่มที่มีชื่อว่า  De  Magnete  นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษชื่อ  วิลเลียม  กิลเบิร์ต  ได้บัญญัติคำศัพท์ในภาษาละตินใหม่  (New  Latin)  ว่า    เพื่ออ้างถึงคุณสมบัติในการดึงดูดวัตถุขนาดเล็กหลังจากที่ถูกถูกับยาง  ทั้งคำ  electric  (ไฟฟ้า)  และ  electricity  (กระแสไฟฟ้า)  มาจากคำในภาษาละตินว่า    ซึ่งมาจากคำภาษากรีกสำหรับเรียกแทนวัตถุอำพันว่า   ()

ต้นทศวรรษที่ 1700, แฟรนซิส ฮาร์คบี (Francis Hauksbee) และ ซี. เอฟ. ดู เฟย์ (C. F. du Fay) นักเคมีชาวฝรั่งเศส ได้ค้นพบด้วยตนเองถึงสิ่งที่พวกเขาเชื่อว่าจะเป็นสองชนิดของการเสียดสีกันทางไฟฟ้า; อันหนึ่งคือการเสียดสีกับแก้ว, ส่วนอีกอันหนึ่ง ได้จากการเสียดสีกับเรซิ่น จากนี้ ดู เฟย์ ได้สร้างทฤษฎีเกี่ยวกับไฟฟ้าที่ประกอบด้วยของเหลวไฟฟ้าสองชนิดที่มีลักษณะคล้าย "แก้ว" และ "ยาง" ที่จะแยกตัวออกจากกันและกันด้วยการเสียดสีและที่เป็นกลางเมื่อนำมารวมกัน  ทศวรรษต่อมา เบนจามิน แฟรงคลิน เสนอว่าการผลิตไฟฟ้าไม่ได้มาจากประเภทที่แตกต่างกันของของเหลวไฟฟ้าเท่านั้น, แต่ของเหลวไฟฟ้าเดียวกันนี้ยังสามารถผลิตไฟฟ้าขึ้นมาได้ภายใต้ความดันที่แตกต่างกัน  เขาได้ตั้งชื่อตามที่เรียกกันในศัพท์สมัยใหม่ว่า ประจุ ที่มีทั้งบวกและลบ ตามลำดับ   แฟรงคลินคิดว่าอนุภาคสื่อพาหะการนำไฟฟ้านั้นมีประจุไฟฟ้าที่เป็นบวก แต่เขาก็ระบุไม่ได้อย่างถูกต้องกับสถานการณ์ที่เป็นส่วนเกินของสื่อพาหะตัวนำประจุไฟฟ้าและสถานการณ์ที่ซึ่งเป็นการสูญเสียหรือขาดดุลของสื่อพาหะตัวนำประจุไฟฟ้า 

ระหว่างปี 1838 และปี 1851, นักปรัชญาธรรมชาติชาวอังกฤษนามว่า ริชาร์ด เลมมิ่ง (Richard Laming) ได้พัฒนาแนวความคิดที่ว่าอะตอมประกอบไปด้วยแกนกลางของสสารที่ล้อมรอบไปด้วยหน่วยของอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้า   จากนั้นต่อมา เริ่มต้นในปี 1846 นักฟิสิกส์ชาวเยอรมันชื่อ วิลเลียม เวเบอร์ (William Weber) ได้นำเสนอทฤษฎีของไฟฟ้าที่ประกอบไปด้วยของเหลวที่มีประจุบวกและประจุลบและการมีปฏิสัมพันธ์กันของประจุทั้งสองนี้ถูกควบคุมโดยกฏกำลังสองผกผัน (inverse square law)  หลังจากที่ได้ศึกษาปรากฏการณ์ของอิเล็กโทรลิซิส (electrolysis)  ในปี 1874 นักฟิสิกส์ชาวไอริชชื่อ จอร์จ จอห์นสโตน สโตนี (George Johnstone Stoney) ได้เสนอแนะบอกว่า มีตัวตนของ "ปริมาณที่แน่นอนของกระแสไฟฟ้าแบบเดี่ยว ๆ" ที่เป็นประจุไฟฟ้าของโมโนเวเลนซ์ ไอออน (monovalent ion) ดำรงตัวอยู่  เขาสามารถที่จะประมาณค่าของประจุ e นี้ในเบื้องต้นได้โดยวิธีการของกฎอิเล็กโทรลิซิสของฟาราเดย์ (Faraday's laws of electrolysis)

การค้นพบ

นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษชื่อ โยฮัน วิลเฮล์ม เฮ็ดทอร์ฟ (Johann Wilhelm Hittorf)  ได้ศึกษาการนำไฟฟ้าในก๊าซบริสุทธิ์: ในปี ค.ศ. 1869 เขาค้นพบการเรืองแสงที่เพิ่มขึ้นที่ออกมาจากหลอดรังสีแคโทดในขณะที่ลดความดันของก๊าซที่อยู่ภายในลง  ในปี 1876 นักฟิสิกส์ชาวเยอรมันชื่อ เออเก็น โกลด์สไตน์ (Eugen Goldstein) ได้แสดงให้เห็นว่ารังสีจากการเรืองแสงนี้ทอดเงาได้และเขาขนานนามว่า รังสีแคโทด   ในช่วงทศวรรษที่ 1870  นักฟิสิกส์และนักเคมีชาวอังกฤษ เซอร์ วิลเลียม ครูกส์ (Sir William Crookes)  ได้พัฒนาหลอดรังสีแคโทดที่มีสภาพความเป็นสุญญากาศสูงอยู่ภายในขึ้นเป็นครั้งแรก   จากนั้นเขาก็แสดงให้เห็นว่ารังสีเรืองแสงที่ปรากฏภายในหลอดนั้นสามารถนำพาพลังงานไปได้และเคลื่อนที่ออกมาจากแคโทดไปยังแอโนด  นอกจากนี้โดยการใช้สนามแม่เหล็กเขาก็สามารถที่จะหันเหทิศทางของรังสีนี้ได้จึงแสดงให้เห็นว่าลำแสงนี้ทำตัวราวกับว่ามันเป็นประจุลบ   ในปี 1879 เขาเสนอว่าคุณสมบัติเหล่านี้สามารถอธิบายได้โดยสิ่งที่เขาเรียกว่า 'สสารแผ่รังสี' (radiant matter)  เขาได้เสนอแนะว่านี่คือสถานะที่สี่ของสสารที่ประกอบด้วยโมเลกุลที่มีประจุลบที่ถูกฉายออกมาด้วยความเร็วสูงจากขั้วแคโทด 

นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษที่เกิดในเยอรมันชื่อ อาร์เธอร์ ชูสเตอร์ (Arthur Schuster) ได้ขยายความการทดลองของครูกส์ต่อไปอีก โดยการวางแผ่นโลหะขนานไปกับลำรังสีแคโทดนี้และโดยการใช้ศักย์ไฟฟ้าต่อเข้าระหว่างแผ่นโลหะทั้งสองนั้น

กลศาสตร์ควอนตัม

ในปี 1924 วิทยานิพนธ์ในชื่อหัวข้อว่า  (งานวิจัยเกี่ยวกับทฤษฎีควอนตัม), ของนักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศสชื่อว่า หลุยส์ เดอ บรอย  ได้ตั้งสมมติฐานว่าสสารทั้งหลายมีคุณสมบัติของคลื่นที่เรียกว่า คลื่น เดอ บรอย (de Broglie wave) ที่มีความคล้ายคลึงกับแสง

เชิงอรรถ

หมายเหตุ

อ้างอิง 

ฟิสิกส์อนุภาค
เคมี
วัสดุศาสตร์