Elektron

Elektron ( veya simgeleri ile gösterilir), eksi bir temel elektrik yüküne sahip bir atomaltı parçacıktır. Lepton parçacık ailesinin ilk nesline aittir ve bileşenleri ya da bilinen bir alt yapıları olmadığından genellikle temel parçacıklar olarak düşünülürler. Kütleleri, protonların yaklaşık olarak 1/1836'sı kadardır. Kuantum mekaniği özellikleri arasında, indirgenmiş Planck sabiti (ħ) biriminde ifade edilen, yarım tam sayı değerinde içsel bir açısal momentum (spin) vardır. Fermiyon olmasından ötürü, Pauli dışarlama ilkesi gereğince iki elektron aynı kuantum durumunda bulunamaz. Temel parçacıkların tamamı gibi hem parçacık hem dalga özelliklerini gösterir ve bu sayede diğer parçacıklarla çarpışabilir ya da kırınabilirler.
Elektronlar; elektrik, manyetizma, kimya ve ısı iletkenliği gibi çeşitli fizik fenomeninde temel rol oynamalarının yanı sıra; kütleçekimsel, elektromanyetik ve zayıf kuvvetlerde de yer alır. Yüklü olmalarından dolayı kendilerini çevreleyen bir elektrik alanı bulunur ve gözlemciye bağlı hareket etmesi sonucunda manyetik alan meydana gelir. Diğer kaynaklar tarafından oluşturulan manyetik alanlar, Lorentz kuvveti kanunu gereğince elektronların hareketlerini etkiler. Elektronlar, radyasyona uğramaları veya hızlandırılmaları durumlarında enerjiyi foton şeklinde emerler. Laboratuvar aletleri ile elektronların tek tek ya da elektromanyetik alanlar kullanılarak elektron plazmasından yakalanması ve özel teleskoplar aracılığıyla dış uzaydaki elektron plazmasının saptanması mümkündür. Elektronlar; elektronik, kaynak, katot ışını tüpleri, elektron mikroskopları, radyoterapi, lazerler, gaz iyonlaştırma sayaçları ve parçacık hızlandırıcıları gibi alanlarda kullanılırlar.
Atom çekirdeği içindeki pozitif yüklü protonlar ile dışındaki negatif yüklü elektronlar arasındaki Coulomb kuvveti etkileşimleri, atomları oluşturur. İyonlaşma ve parçacıkların özelliklerinde değişimler sistemin bağlanma enerjisini değiştirir. İki veya daha fazla atom arasında elektronların değişimi veya paylaşımı, kimyasal bağları meydana getirir. İlk olarak 1838 yılında Richard Laming tarafından atomların kimyasal özelliklerini açıklamak için elektron yükünün bölünemez bir özelliğinin olması kavramı hipotezleştirilmiştir. Johnstone Stoney 1891 yılında bu yüke elektron adını vermiş, J. J. Thomson ve ekibi ise 1897 yılında onu parçacık olarak tanımlamıştır. Beta parçacıkları olarak bilindikleri yıldız nükleosentezi gibi elektronlar nükleer reaksiyonlara katılırlar. Kozmik ışınların Dünya atmosferine girmeleri gibi yüksek enerjili çarpışmalarda ve radyoaktif izotopların beta bozunması yoluyla elektron oluşabilir. Pozitron olarak adlandırılan elektronun antiparçacığı, zıt simgeli elektrik ve diğer yükleri taşıması dışında elektronla aynıdır. Birer elektronla pozitron arasında yaşanan çarpışmada, her iki parçacık da gama ışını fotonları üreterek annihilasyona uğrayabilirler.
Tarihi
Elektrik kuvvetinin etkilerinin keşfi
Antik Yunanlar kehribarın, kürk ile sürtünmesi sonrasında küçük nesneleri çektiğini fark ettiler. Bu fenomen, şimşekle birlikte insanlığın elektrik hakkında kayıtlara geçmiş ilk deneyimiydi. 1600'de yayımlanan De Magnete adlı eserinde William Gilbert, Latincede kehribar anlamına gelen ve Yunancada da aynı anlamı taşıyan ἤλεκτρον (elektron) electrum kelimesinden esinlenerek, sürtünme sonrası küçük nesneleri çekme özelliğini tanımlayan Yeni Latince electricus kelimesini türetti. Thomas Browne'un 1646'da yayımlanan Pesudoxia Epidemica adlı eserinde, yine aynı kelimeler esas alınarak ilk defa İngilizcedeki electricity ifadesi kullanıldı. Elektrik kelimesi Türkçeye, Fransızcada da aynı anlama gelen électrique kelimesinden geçti.
İki tür yükün keşfi
1733'te yayımlanan Sur l'électricité adlı eserinde Charles François de Cisternay du Fay, yüklü altın varağın ipek sürtülen cam tarafından itildiğini, aynı yüklü altın varağın yün sürtülen kehribar tarafından ise çekildiğini gözlemlediğini yazdı. Buradan yola çıkarak du Fay, camsal ile kehribarsal adlarını verdiği iki tür elektrik akışı içerdiği sonucuna vardı. Bu iki akışkan, birleştirildiği vakit birbirini etkisiz hale getiriyordu. Bir müddet sonra Ebenezer Kinnersley de bağımsız olarak aynı sonucu elde etti. 10 yıl sonra Benjamin Franklin, elektriğin iki farklı tür akıştan değil de fazla (+) ya da eksik (-) olacak şekilde aynı akıştan geldiğini tespit ederek bunlara, yüklerin modern gösterimi olan pozitif ve negatif isimlerini verdi. Franklin, yükün taşıyıcısını pozitif olarak düşündü, ancak hangi durumda yük taşıyıcısının fazlası ve hangi durumda yük taşıyıcısının eksiği olduğunu tanımlayamadı.
1838 ve 1852 yılları arasında Richard Laming; atomların, birim elektrik yüklerine sahip atomaltı parçacıklar tarafından çevrelenmiş maddenin özünün birleşimi olduğu fikrini ortaya attı. Johnstone Stoney, elektroliz fenomenine dair çalışmalarının ardından 1874'te, "elektriğin tek kesin özelliği" olduğunu ve bunun da tek değerlikli iyonun yükü olduğunu öne sürdü. Faraday'in elektroliz kanunları aracılığıyla bu temel yükün (e) değerini tahmin edebilse de, bu yüklerin atomlara sabitlenmiş olduğuna ve ayrılamayacağına inanıyordu. 1881'de Hermann von Helmholtz, hem pozitif hem negatif yüklerin "elektriğin atomları gibi davranan" temel parçalara ayrıldığı fikrini ortaya attı. 1881'de Stoney, elektroliyon (electrolion) terimini bu temel yükleri adlandırmak için kullandı. 1894 tarihli yazısında: "... elektron (electron) adını önermeye teşebbüs ettiğim elektriğin bu en dikkat çekici, temel biriminin gerçek miktarının bir tahmini yapıldı" ifadeleriyle terimin adını değiştirdi. 1906 yılında önerilen elektriyon (electrion) kelimesi, Hendrik Lorentz'in elektronu kullanmaya devam etmesi nedeniyle kabul görmedi. Elektron kelimesi elektrik ve iyon kelimelerinin birleşimiyle oluşturulmuştu. Günümüzde, atomaltı parçacıkları tanımlamak için kullanılan -on eki de elektron kelimesinden sonra kullanılmaya başlandı.
Madde dışındaki serbest elektronların keşfi
Seyreltilmiş gazlarda elektrik iletkenliği üzerine çalışmalarda bulunan Julius Plücker, 1859 yılında, katottan yayılan radyasyonun yol açtığı fosforesans ışığın, katodun yanındaki tüpte göründüğünü ve bu ışığın, manyetik alan uygulanmasına bağlı olarak hareket ettiğini gözlemledi. 1869'da Johann Wilhelm Hittorf, katot ile tüpün duvarları arasında koyduğu katı bir cismin bir gölge oluşturduğunu tespit etti. 1876'da Eugen Goldstein, bu cismin gölgesinin cisimden daha büyük boyutlarda olduğunu gözlemleyerek fosforesansı oluşturan ışınların katottan direkt bir yol izleyerek geldiğini belirledi ve bu ışınlara katot ışını (Almanca: Kathodenstrahlen) adını verdi. 1869-1875 yılları arasında William Crookes, içerisine yüksek vakum olan bir tüp geliştirdi. 1874'te, katot ışınlarının izlediği yola koyulan bir çarkın, ışınların etkisiyle döndüğünü gözlemleyerek bu ışınların momentum taşıdığını ve katottan anoda doğru hareket ettiğini gösterdi. Işınlara uyguladığı manyetik alanla ise ışınları saptırmayı başararak bu ışınların negatif yüklüymüş gibi davrandığını tespit etti. 1879'da, "radyant madde" olarak tanımladığı şeyle bu özelliklerin açıklanabileceğini ve maddenin, negatif yükle yüklenmiş olan yüksek hızla katottan tasarlanmış moleküller dahil dört durumu olduğunu olduğunu ileri sürdü.
Arthur Schuster, katot ışınlarına paralel iki metal levha yerleştirdi ve levhalar arasında bir elektrik potansiyeli uygulayarak Crookes'un deneyini ilerletti. Işınların, alanın etkisiyle pozitif yüklü levhaya doğru sapmasıyla negatif enerji taşıdığı kanıtlanmış oldu. 1890'da, akımın verilen seviyesi için sapma miktarını ölçerek ışın bileşenlerinin kütle-yük oranını tahmin etti. Ancak bu üretilen değer beklenenin bin katından fazlaydı, bu yüzden o dönemde kendisinin hesaplamaları yaygın bir biçimde kabul görmedi. 1892'de Hendrik Lorentz, bu parçacıkların (elektronların) kütlelerinin, onların elektrik yükünün bir sonucu olabileceği fikrini ortaya attı.
1896'da floresans mineraller üzerinde çalışmalar yürüttüğü sıralarda Henri Becquerel, bu minerallerin hiçbir dışsal enerji kaynağına maruz kalmadan radyasyon yaydıklarını keşfetti. Sonrasında Ernest Rutherford, bu radyoaktif malzemelerin parçacık yaydığını tespit ederek bu parçacıkları maddeye nüfuz etme özelliklerine göre alfa ve beta olarak adlandırdı. 1900'de Becquerel, radyumun yaydığı beta ışınlarının elektrik alanını saptırabileceğini ve kütle-yük oranlarının katot ışınlarındakinin aynısı olduğunu belirledi. Bu bulgu, elektronların atomların bileşenleri olduğu fikri için bir kanıt oluşturuyordu.
1897'de J. J. Thomson, John Townsend ve Harold Wilson, öncesinde düşünüldüğünün aksine katot ışınlarının dalga, atom veya molekülden farklı ve özgün parçacıklar olduğunu gösteren deneyler yaptı. Thomson, katot ışın parçacıklarının bilinen en hafif iyon olan hidrojeninkinin binde biri olan kütlesinin (m) ve yükünün (e) doğru bir tahminini yaptı. Yük-kütle oranının (e/m) katodun malzemesinden bağımsız olduğunu gösterdi. Devamında ise radyoaktif, sıcak veya aydınlatılmış malzemeler tarafından üretilen negatif yüklü parçacıkların evrensel olduğunu ispatladı. Elektron ismi bir kez daha, Johnstone Stoney tarafından bu parçacıklar için önerildi ve ilerleyen dönemde evrensel olarak kabul gördü.
1909'da gerçekleştirdikleri ve sonuçları 1911'de yayımlanan yağ damlası deneyi sonrasında Robert A. Millikan ve Harvey Fletcher, elektronların yüklerini daha hassas bir şekilde ölçtüler. Deneyde, yüklü yağ damlacığının yerçekimi yüzünden düşmesini önlemek için elektrik alanı kullandı. Bu araç sayesinde %0,3'ten az bir hata payıyla, 1-150 kadar az iyonun elektrik yükü ölçülebildi. Benzer deneyler de elektroliz tarafından yönetilen yüklü su damlacıkları bulutları kullanarak Thomson'ın ekibi tarafından daha önce yapılmıştı. 1911'de ise Abram İoffe'nin, metallerin yüklü mikroparçacıklarını kullanarak yaptığı ve Milikan ile aynı sonuca bağımsız olarak ulaştığı deneylerin sonuçları 1913'te yayımlandı.
20. yüzyılın başlarında, belirli koşullar altında hızlı hareket eden yüklü parçacığın yolu boyunca aşırı doymuş su buharı yoğunluğuna yol açtığı keşfedildi. 1911'de Charles Wilson'ın tasarladığı bulut odasında bu prensip kullanıldı ve böylelikle hızlı hareket eden elektronlar gibi yüklü parçacıkların izleri fotoğrafladı.
Atom teorisi
Ernest Rutherford, Henry Moseley, James Franck ve Gustav Hertz'in 1914'e kadar yaptıkları deneylerle, bir atomun yapısı düşük kütleli elektronla çevrili ve pozitif yüklerin yer aldığı yoğun bir çekirdeği olarak tanımladı. 1913'te Niels Bohr, elektronların çekirdekle ilgili elektron yörüngelerinin açısal momentumlarıyla belirlenen enerjiyle beraber belli bir dereceye kadar enerji içeren durumlarda bulunduğunu tespit etti. Elektronlar, belli sıklıklardaki protonların yayılması veya emilmesi ile bu durumlar ve yörüngeler arasında hareket edebildiğini belirledi. Bu kuantumlanmış yörüngeler aracılığıyla, hidrojen atomunun bu spektrum çizgilerini açıkladı. Fakat Bohr'un modeli bu spektrum çizgilerinin göreli yoğunluklarını hesaplamada yanıldı ve daha karmaşık atomların spektrumlarını açıklamakta başarılı olamadı.
Atomların arasındaki kimyasal bağlar 1916 yılında, iki atom arasındaki kovalent bağın aralarında paylaştıkları elektron çiftleri tarafından korunduğunu ileri süren Gilbert Lewis tarafından açıklandı. 1927'de, Walter Heitler ve Fritz London tarafından, elektron çiftlerinin oluşumu ile kimyasal bağların, kuantum mekaniği bağlamında tam açıklaması gerçekleştirildi. 1919'da, Lewis'in statik atom modelini inceleyen Irving Langmuir, elektronların ardışık "konsentirik (neredeyse) küresel kabuklara dağılmış ve tamamının eşit kalınlıkta" olduğunu öne sürdü. Kabukları, her biri birer elektron çifti içeren birkaç hücreye böldü. Bu modelle Langmuir, genellikle kendilerini periyodik kurallara göre tekrar eden periyodik tablodaki bütün elementlerin niteliksel olarak kimyasal özelliklerini açıklamayı başardı.
1924'te Wolfgang Pauli, atomların kabuk benzeri yapılarının her durum birden fazla elektron tarafından belirlenmedikçe her kuantum enerji durumunu tanımlayan dört parametreyle açıklanabileceğini gözlemledi. Bu aynı kuantum enerji durumunu kaplayan birden fazla elektrona karşı yasaklama olayı, Pauli dışarlama ilkesi olarak kullanıma geçti. İki farkı mümkün değere sahip dördüncü parametreyi açıklamak için kullanılan fiziksel mekanizma, 1925'te yörüngenin açısal momentumuna ek olan bir elektronun bir içsel açısal momentumu ve manyetik dipol momenti olduğunu belirten Samuel Goudsmit ve George Uhlenbeck tarafından belirlendi Bu içsel açısal momentum, ilerleyen dönemlerde spin olarak adlandırıldı ve yüksek çözünürlüklü spektrografla gözlemlenen spektrum çizgilerinin daha önceleri nedeni bilinmeyen ve sonradan ince yapı bölünmesi olarak adlandırılan bir şekilde bölünmesini açıkladı.
Kuantum mekaniği
1924 tarihli Recherches sur la théorie des quanta adlı çalışmasında Louis de Broglie, bütün maddelerin ışık gibi bir dalgaya sahip olduğunu hipotezleştirdi. Bulgulara göre uygun koşullar altındaki elektronlar ve diğer maddeler ya dalga ya da parçacık özellikleri gösteriyordu. Bir parçacığın parçacık özellikleri, verilen anda onun eğik hareketi boyunca uzayda yerleştirildiği konumu olduğu gösterilince ortaya çıkar. 1927'de yaptıkları deneylerle George Thomson, metal bir folyodan bir elektron demetinin geçmesiyle; Clinton Davisson ile Lester Germer ise nikel kristalinden elektronların yansımasıyla elektronun girişim etkisini keşfetti.
De Broglie'nin elektronların dalga yapısı öngörüsü sonrasında Erwin Schrödinger, atom çekirdeğinin etkisi altında hareket eden elektronlar için 1926'da oluşturduğu dalga denklemiyle elektron dalgalarının nasıl yayıldığını tanımladı. Zamanla bu denklem, elektronun yerini belirleyen çözümü sağlamak yerine, özellikle elektron dalga denkleminin zamanla değişmediği uzayda bağlı elektronun olduğu bir pozisyona yakın bir elektron bulunması için de kullanıldı. Bu yaklaşım ikinci bir kuantum mekaniği formülasyonunun oluşturulmasına (ilki 1925'te Werner Heisenberg tarafından yapışmıştı) ve Heisenberg'inki gibi Schrödinger denkleminin çözümleri 1913'te Bohr tarafından elde edilenlere eşit olan ve hidrojen spektrumunu ürettiği bilinen hidrojen atomundaki bir elektronun enerji durumunun türevlerinin elde edilmesine yol açtı. Spin ve çoklu elektronlar arasındaki etkileşimin tanımlanmasının ardından, kuantum mekaniği sayesinde hidrojenden daha yüksek atom numarasına sahip atomlardaki elektronların diziliminin öngörülmesi mümkün kılındı.
1928'de Paul Dirac, Wolfgang Pauli'nin çalışmasını temel alarak görelilik teorisiyle uyumlu olan, kuantum mekaniğinin elektromanyetik alanının hamilton formülasyonuna göreli ve simetrik kavrayışları uygulayarak Dirac denklemi olarak adlandırılan bir elektron modeli oluşturdu. Göreli denklemindeki bazı sorunları çözme amacıyla 1930'da, negatif enerjili parçacıklardan oluşan sonsuz bir deniz olan ve sonraları Dirac denizi olarak adlandırılan bir vakum modeli geliştirdi. Bu sayede elektronun benzer antimaddesi pozitronun varlığını öngördü. Bu parçacık 1932'de, standart elektronlara negaton diyen ve elektron kelimesini pozitif ve negatif yüklü parçacıkları tanımlamak için kullanmayı öneren Carl Anderson tarafından keşfedildi.
1947'de, Robert Retherford ile birlikte çalışan Willis Lamb, bir hidrojen atomunun aynı enerjiye sahip olması gereken belli kuantum durumlarında, sonraları Lamb kayması olarak adlandırılan farklılıklar yaşandığını buldu. Henry Foley ile birlikte çalışmalarını yürüten Polykarp Kusch 1948'de, elektronun manyetik momentinin Dirac'ın teorisi tarafından öngörülenden daha büyük olduğunu buldu. Anormal manyetik dipol moment olarak adlandırılan aradaki fark 1948'de Julian Schwinger tarafından açıklandı.
Parçacık hızlandırıcılar
20. yüzyılın ilk yarısında parçacık hızlandırıcıların geliştirilmesiyle birlikte, atomaltı parçacıkların özellikleri üzerine yapılan araştırmalar da derinleşmeye başladı. İlk elektromanyetik indüksiyon kullanarak elektronları hızlandırma denemesini 1940'ta gerçekleştiren Donald Kerst, yaptığı denemelerde betatronu ile 2,3 MeV enerjiye ulaşmayı başardı. 1947'de, sinkrotron radyasyonu 70 MeV elektron sinkrotron ile General Electric'te keşfedildi. Bu radyasyon elektronların, manyetik alana doğru neredeyse ışık hızıyla hareket etmeleriyle meydana geldi.
İlk yüksek enerji çarpıştırıcı, 1,5 GeV enerji demetiyle 1968'de hizmete giren ADONE'ydi. Alet, elektronları ve pozitronları ters yönlerde, çarpışma enerjilerini bir elektronlu durağan bir hedefe çaptığındakinin iki katına çıkararak hızlandırıyordu. 1989'dan 2000'e kadar etkin olan Avrupa Nükleer Araştırma Merkezindeki Büyük Elektron-Pozitron Çarpıştırıcısı, 204 GeV değerinde enerjiye ulaşan çarpışmalar gerçekleştirmeyi başardı.
Özellikleri
Sınıflandırması
Parçacık fiziğinin Standart Model'inde elektronlar, temel parçacıklar olduklarına inanılan lepton adlı atomaltı parçacık grubuna dahildirler. Elektronlar, yüklü herhangi bir leptondan ya da elektrik yüklenmiş herhangi bir tür parçacıktan daha düşük kütleye sahiptir ve temel parçacıkların ilk nesline aittir. İkinci ve üçüncü nesillerdeki yüklü leptonlar olan müon ve tau; yük, spin ve etkileşim açısından elektronlar ile özdeş olsalar da daha büyük boyuttadırlar. Leptonlar, maddenin diğer basit bileşenlerinden olan kuarklardan, güçlü etkileşimi olmaması bakımından ayrılırlar. Lepton grubunun tüm üyeleri gibi elektronlar, yarım tam sayı spine () sahip olduklarından birer fermiyondur.
Temel özellikleri
Elektronun durgun kütlesi kilogram ya da atomik kütle birimidir. Albert Einstein'ın kütle-enerji eşdeğerliği ilkesine göre bu kütle MeV durgun enerjiye tekabül eder. Protonun kütlesinin elektronunkine oranı yaklaşık 1836'dır. Astronomik ölçümler bu oranın Standart Model'de öngörüldüğü gibi, en azından evrenin yaşının yarısından beri aynı kaldığını gösterir.
Elektronlar, coulomb kadar elektrik yüküne sahiptir. Deneysel hassasiyet sınırları içinde elektronun yükü, protonunkinin aynısının zıt işaretlisidir. Temel yük için e simgesinin kullanılması nedeniyle elektron, genellikle şeklinde, negatif yükü temsil eden eksi işaretiyle birlikte simgeler. Elektronla aynı özelliklere sahip olan ve elektronun aksine pozitif yüke sahip olan elektronun antiparçacığı pozitron ise şeklinde gösterilir.
Elektronların, spin olarak adlandırılan içsel açısal momentumu 'dir. Bu spin değerine sahip parçacıklar için spin büyüklüğü ± kadardır ve herhangi bir eksendeki spinin izdüşüm ölçümlerinin sonuçları yalnızca ħ olabilir. Spine ek olarak elektron, spin ekseni boyunca içsel bir manyetik momente sahiptir. Bu değer yaklaşık olarak bir Bohr magnetonuna denk gelen kadardır. Elektronun momentumuna göre spinin yönünün belirlenmesi olayı, temel parçacıkların sarmallık olarak bilinen özelliğini ifade eder.
Elektronun bilinen bir alt yapısı yoktur ve uzamsal bir kapsamı olmayan, noktasal yüke sahip nokta parçacık olarak kabul edilir. Klasik fizikte bir nesnenin açısal momentumu ve manyetik momenti, onun fiziksel boyutlarına bağlıdır. Elektronun boyutsuz olarak kabul edilmesinden dolayı, paradoksal ve elektronun sonlu ve sıfırdan farklı yarıçapına işaret eden Penning tuzağındaki deneysel gözlemlerle ters düşüyor gibi gözükebilir. Elektronun yarıçapı konusu, modern teorik fizikte birtakım sorunlara yol açar. Elektronun sonlu bir yarıçapı hipotezinin kabulü, görelilik teorisinin önermeleriyle uyumsuzdur. Diğer yandan, nokta benzeri elektron (sıfır yarıçaplı) sonsuzluğa yönelen elektronun öz enerjisi nedeniyle matematiksel zorlulara yok açar. Bir Penning tuzağındaki tek bir elektronda, parçacığın yarıçapının üst sınırının 10-22 metre olduğunu gözlemlenmiştir. Enerjideki belirsizlik ilkesi kullanılarak üst sınırın 10-18 metre olduğu da söylenebilir. Protonun yarıçapından fazla, klasik elektron yarıçapı denilen çok daha fazla değeri olan kadar, "klasik elektron yarıçapı" adı verilen bir fiziksel sabit daha olmakla birlikte bu değer, kuantum mekaniğinin etkilerini göz ardı eden basitleştirilmiş bir hesaplama ile elde edildiğinden dolayı elektronun yapısıyla ilgili gerçeği yansıtmaz.
Elektron, bazı temel parçacıkların aksine teorik temellerde kararlıdırlar ve daha küçük boyutlu parçacıklara bozunmazlar. Sıfırdan farklı elektrik yüküne sahip parçacıklar arasında en düşük boyuta sahip olan elektronların bozunması, yük korunumunu ihlal etmesi anlamına gelecektir. Elektronun deneysel ortalama yaşam süresi için alt sınır, %90 güvenilirlikle yıldır.
Kuantum özellikleri
Tüm parçacıklar gibi elektronlar da dalga gibi davranabilirler. Buna dalga-parçacık ikiliği denir ve çift yarık deneyi kullanarak gösterilebilir. Elektronun dalga benzeri yapısı klasik parçacıklardaki gibi tek yarık yerine, paralel yarıklarından aynı anda geçmesine izin verir. Kuantum mekaniğinde bir parçacığın dalga benzeri özelliği genellikle ψ simgesiyle gösterilir ve karmaşık değerli dalga fonksiyonu ile matematiksel olarak tanımlanabilir. Bu fonksiyonun mutlak değerinin karesi alındığında, bir parçacığın bir konumunun yakınında gözlemlenme (olasılık yoğunluğu) ihtimalini verir.
Elektronlar, içsel özelliklerine bakılarak birbirlerinde ayrılamadıkları için özdeş parçacıklardır. Kuantum mekaniğinde bu, etkileşen bir çift elektronun konumlarının, sistemin durumunda gözlemlenebilir hiçbir değişiklik olmadan değiştirilebileceği anlamı taşır. Elektronlar dahil fermiyonların dalga fonksiyonu antisimetriktir. Bu sayede iki elektron, r1 ve r2 sırasıyla birinci ve ikinci elektronları ifade edecek biçimde, denklemine göre yer değiştirdiğinde elektronların işaretleri de değişir. Simge değişiminde mutlak değerlerde değişim yaşanmadığından olasılıklar eşittir. Antisimetri durumunda, elektronların etkileşimi için dalga denkleminin çözümleri bir çiftin aynı yeri veya durumunu kapsaması sıfır olasılıkla sonuçlanır. Bir atomdaki bağlı elektron gruplarının aynı yörüngede birbirleriyle çakışması yerine farklı yörüngelerde bulunması, iki elektronun aynı kuantum durumunda olmasını engelleyen Pauli dışlama ilkesiyle açıklanabilir.
Sanal parçacıklar
Her foton, sonrasında hızlıca annihilasyona uğrayan sanal elektron ile antiparçacığı sanal pozitronu birlikte barındıracak şekilde bir süreliğine var olur. Enerji çeşitliliğinin birleşiminin bu parçacıkları üretmesi ve var oldukları süre boyunca, E t ≥ ħ formülüyle belirsizlik ilkesinde açıklanan keşfedilebilirlik eşiğine dahil olması gerekse de gerçekte, bu sanal parçacıkların üretimi için gerekli enerji olan E, t boyunca vakumdan "ödünç" alınır ve bu sayede ürünleri indirgenmiş Planck sabitinden () daha büyük olamaz. Bu durumda sanal bir elektron için t değeri en fazla olabilir.
Sanal bir elektron-pozitron çifti varken, bir elektronu çevreleyen elektrik alanından gelen Coulomb kuvveti, özgün elektronun oluşturulan pozitronu çekmesine, oluşturulan elektronu ise itmesine yol açar. Bu sayede vakum kutuplaşması olarak adlandırılan olay meydana gelir. Gerçekte vakum, bir birimden fazla dielektrik geçirgenliğine sahip bir ortam gibi davranır. Böylece, etkin değeri, gerçek değerinden düşük olan elektronun yükü, kendisinden uzaklaştıkça düşer. Bu kutuplaşma, TRISTAN parçacık hızlandırıcısı kullanılarak 1997 yılında deneysel olarak kanıtlanmıştır. Sanal parçacıklar elektronun kütlesi için benzer bir perdeleme etkisi oluştururlar.
Sanal parçacıklarla etkileşim, elektronun içsel manyetik momentumunun Bohr magnetonundan %0,1 kadar sapmasını da açıklar. Noktasal bir parçacık olan elektronun içsel açısal momentuma ve manyetik momente sahip olması nedeniyle klasik fizik paradoksu, elektron tarafından üretilen elektrik alanındaki sanal fotonların oluşturulmasıyla açıklanabilir. Bu fotonlar, titreşim hareketi olarak adlandırılan elektronların yer değiştirmesi olayına neden olur. Bu hareket, elektronun hem spinini hem de manyetik momentumunu üretir. Atomlarda bu sanal parça üretimi, spektrum çizgilerinde gözlenen Lamb kaymasını da açıklar.
Etkileşim
Bir elektronun ürettiği elektrik alanı, pozitif yüklü parçacıklara çekme, negatif yüklü parçacıklara ise itme kuvveti uygular. Bu kuvvetin gücünün büyüklüğü Coulomb kanunuyla saptanır. Elektronlar, hareket halindeyken manyetik alan oluştururlar. Manyetik alan ile elektronların kütle hareketleri (akım) arasındaki ilişki Ampère kanunu ile açıklanır. İndüksiyonun bu özelliği, bir elektrik motorunu harekete geçiren manyetik alanı sağlar. Rastgele hareket eden yüklü bir parçacığın elektromanyetik alanı, parçacığın hızı ışığınkine (göreli) yakın olduğunda dahi geçerli olan Liénard-Wiechert potansiyelleriyle açıklanır.
Manyetik bir alana doğru hareket eden bir elektron, hızı ile manyetik alana bağlı olan ve düzleme dik etki eden Lorentz kuvvetine maruz kalır. Bu merkezcil kuvvet nedeniyle elektron, eylemsizlik yarıçapı denilen bir yarıçapa sahip alana doğru sarmal bir yörünge izler. Bu eğimli hareketin ivmesi elektronun sinkrotron radyasyonu biçiminde enerji yaymasına yol açar. Elektronun alanının, kendisi üzerindeki karşı tepkiden kaynaklanan Abraham-Lorentz-Dirac kuvveti olarak bilinen sürtünme kuvveti ise, elektronu yavaşlatır.
Fotonlar, parçacıklar arasındaki etkileşimi sağlarlar. Sabit bir hızda izole edilmiş bir elektronun, enerji ve momentumun korunumu kanunlarını ihlal etmiş olacağından gerçek bir fotonu emmesi ya da yayması mümkün değildir. Bunun yerine sanal fotonlar, iki yüklü parçacık arasında momentum aktarımı yapabilirler. Sanal fotonların bu değişimi Coulomb kuvvetini üretir. Hareket eden bir elektronun, proton gibi yüklü bir parçacık tarafından saptırılmasıyla enerji salınımı gerçekleşebilir. Elektronun ivmelenmesi, Bremsstrahlung radyasyonunun salınımı ile sonuçlanır.
Bir foton ile serbest bir elektron arasında yaşanan esnek olmayan çarpışmaya Compton saçılması denir. Bu çarpışma ile parçacıklar arasında momentum ve enerji aktarımı yaşanarak fotonun dalga boyu, Compton kayması olarak adlandırılan miktar kadar değişir. Bu dalga boyu değişiminin en büyük değeri, Compton dalga boyu olarak bilenen h/mec formülüyle tanımlanır ve elektronlar için bu değer yaklaşık kadardır. Işığın dalga boyu uzadıkça (örneğin görülebilen ışığın dalga boyu 0,4-0,7 μm'dir) dalga boyu kayması daha ihmal edilebilir hale gelir. Işık ile serbest elektronlar arasındaki bu ilişki, Thomson saçılması olarak adlandırılır.
Elektron ve proton gibi iki yüklü parçacık arasındaki elektromanyetik etkileşimin göreli gücü, ince yapı sabiti ile verilir. Bu değer, bir Compton dalga boyunun ayrımındaki çekmenin ya da itmenin elektrostatik enerjisinin, yükün geri kalan enerjisine oranı ile elde edilen boyutsuz bir niceliktir. α ≈ şeklindeki bu değer yaklaşık olarak 'e eşittir.
Elektronlar ile pozitronlar çarpıştığında, toplam enerjisi 1,022 MeV olan iki ya da daha fazla gama ışını fotonu ortaya çıkararak birbirlerini yok ederler. Elektron ve pozitronun ihmal edilebilecek derecede bir momentuma sahip olmaları durumunda, annihilasyon tamamlanmadan önce bir pozitronyum atomu da oluşabilir. Diğer yandan yüksek enerji bir foton, çift üretimi denilen süreç sonrasında, yalnızca bir atom çekirdeği gibi yakındaki bir yüklü parçacığın varlığında birer elektron ve pozitrona dönüşebilir.
Elektrozayıf etkileşim teorisine göre, elektronun dalga fonksiyonun sola dönen bileşeni ile elektron nötrino bir zayıf izospin çifti meydana getirir ve bu, zayıf etkileşimler süresince elektron nötrinolarının elektron gibi davrandıkları anlamına gelir. Bu çiftin herhangi bir üyesi, bir W bozonu yayarak ya da emerek bir yüklü akım etkileşimine maruz kalabilir ve çiftin diğer üyesine dönüşebilir. Bir yük taşıyan W bozonunun dönüşüm sırasında net yükü sıfırlaması nedeniyle bu reaksiyon boyunca yük korunur. Yüklü akım etkileşimleri, radyoaktif bir atomdaki beta bozunmasından sorumludur. Hem elektron ve hem de elektron nötrinosu, değişimi sayesinde nötr akım etkileşimine maruz kalmakta ve bu sayede nötrino-elektron esnek saçılması ortaya çıkar.
Atom ve moleküller
Elektronlar, çekici Coulomb kuvvetiyle bir atomun çekirdeğine bağlanabilirler. Bir çekirdeğe bağlı bir ya da daha fazla elektronun oluşturduğu sisteme atom, elektron sayısının, atom çekirdeğinin elektrik yükünden farklı olduğu atomlara ise iyon denir. Bağlı elektronun dalga benzeri davranışları, atomik orbital işleviyle açıklanır. Her orbitalin kendisine ait enerji, açısal momentum ve açısal momentumun izdüşümü gibi kuantum sayıları vardır ve sadece bu orbitallerin ayrık grupları çekirdeğin etrafında var olabilir. Pauli dışarlama ilkesine göre her bir orbital, spin kuantum sayısı farklı olan en fazla iki elektron içerebilir.
Elektronlar, potansiyel farkıyla aynı enerjili fotonların salınması ya da emilmesiyle farklı orbitallere aktarılabilirler. Elektronlar gibi parçacıklarla çarpışmalar ve Auger etkisi ile de aktarım gerçekleşebilir. Bir elektronun atomdan ayrılması için, kendisini atoma bağlayan bağ enerjisinin üstünde bir enerji gerekir. Bu durum, atomun iyonlaşma enerjisini aşan bir uyarıcı fotonun elektron tarafından emildiği fotoelektrik etkisiyle oluşabilir.
Elektronların orbital açısal momentumu kuantumlanmıştır. Yüklü bir parçacık olmasından dolayı elektron, açısal momentumlaa orantılı bir orbital manyetik momentum da meydana getirir. Atomun net manyetik momenti, çekirdek ile tüm elektronların spin manyetik momentlerinin vektörel toplamına eşittir. Çekirdeğin manyetik momenti, elektronlarınkine kıyasla ihmal edilebilir düzeydedir. Aynı orbitalde yer alan elektronların (çiftlenmiş elektronlar denir) manyetik momentleri birbirlerini yok eder.
Atomlar arasındaki kimyasal bağ, kuantum mekaniği kanunlarıyla tanımlanan elektromanyetik etkileşimlerin sonucunda ortaya çıkar. Atomlar arasında elektron paylaşımı ya da aktarımıyla meydana gelen en güçlü bağlar, molekülleri oluşturur. Bir moleküldeki birkaç çekirdeğin etkisinde hareket eden elektronlar, moleküler orbitallerin yanı sıra, izole atomların atomik orbitallerinde yer alırlar. Bu moleküler yapılardaki temel etmen, elektron çiftlerinin varlığıdır. Bu elektronlar, zıt spinli olduklarından Pauli dışarlama ilkesini ihlal etmeden aynı moleküler orbitalde bulunabilirler. Moleküler orbitallerdeki elektron yoğunlukları, farklı uzamsal dağılımlarına sahiptir. Örneğin, atomları bir araya bağlayan çiftler gibi bağlı çiftlerdeki elektronlar, çekirdeklerin arasındaki görece küçük hacimli bölgede daha yüksek yoğunlukta bulunur. Tam aksine, bağlı olmayan elektron çiftleri, çekirdeğin etrafındaki görece büyük hacimli bölgeye dağılmıştır.
İletkenlik
Bir yapının çekirdeklerindeki proton sayısı elektron sayısından fazlaysa yapı pozitif, tersi durumda ise negatif yüklüdür. Elektron ve protonların sayısı aynı ise yükleri birbirlerini sıfırlar ve yapı, elektriksel olarak nötr olur. Makroskobik yapılar sürtünme ile elektriklenebilirler.
Vakumda hareket eden bağımsız elektronlar, serbest elektron olarak tanımlanır. Metallerdeki elektronlar da serbestlermiş gibi davranır. Gerçekte ise metal ve diğer katılardaki elektron olarak adlandırılan parçacıklara sanki elektron denir ve gerçek elektronlar ile aynı elektrik yükü, spin ve manyetik momente sahip olsa da kütle açısından farklılık gösterebilirler. Hem metal hem de vakumdaki serbest elektronlar hareket ettiklerinde, manyetik alan üreten ve elektrik akımı olarak adlandırılan net bir yük akışı oluştururlar. Manyetik alan değişimi ile de elektrik akımı yaratılabilir. Bu etkileşimler, matematiksel olarak Maxwell denklemleriyle tanımlanırlar.
Belirli bir sıcaklıkta her malzeme, elektrik potansiyelinin uygulandığında meydana gelen elektrik akımının değerini belirleyen bir elektrik iletkenliğine sahiptir. Dielektrik malzemelerde elektronlar kendi atomlarına bağlı kalırken malzemeler de bir yalıtkan gibi davranır. Çoğu yarı iletken malzeme, yalıtmanın ve iletmenin sınırları arasında olan farklı iletkenlik seviyesine sahiptir. Diğer yandan metaller, kısmen dolu elektronik bantlardan oluşan bir yapıya sahiptir. Bu bantların varlığı, metallerdeki elektronların serbest veya yöresizleşmiş elektronlarmış gibi davranmalarına yol açar. Bu elektronlar belli atomlarla ilişkilendirilmemiş olduklarından, bir elektrik alanı uygulandığında, serbest elektronlara benzer şekilde malzemeye doğru gaz gibi (Fermi gazı denir) gibi hareket etmekte serbesttir.
Elektronlar ile atomlar arasındaki çarpışmalardan dolayı bir iletkendeki elektronların sürüklenme hızı saniyede milimetreler bazındadır. Malzemenin bir noktasındaki akımın değişmesi ile diğer bölümlerindeki akımların da değişmesine neden olan hız faktörü, ışık hızının %75'i kadardır. Bu durum elektrik sinyallerinin, malzemenin dielektrik sabitine bağımlı bir hızla dalga gibi yayılması nedeniyle gerçekleşir.
Hareket alanı genişleyen elektronların atomlar arasındaki ısı enerjisini taşımak için serbest bir şekilde hareket etmelerinden dolayı metaller, görece ısıyı iyi iletirler. Metallerin ısı iletkenlikleri, elektrik iletkenliklerinin aksine sıcaklıktan neredeyse bağımsızdır. Bu durum matematiksel olarak, ısı iletkenliğinin elektrik iletkenliğine oranının sıcaklıkla orantılı olduğunu söyleyen Wiedemann-Franz kanunuyla açıklanır. Metalik kafesteki ısı düzensizliği, elektrik akımına bağımlı sıcaklık üreterek metalin elektrik direncini artırır.
Malzemeler, kritik sıcaklık denilen noktanın altındaki bir noktaya kadar soğutulunca, elektrik akımına karşı tüm dirençlerini kaybettikleri süperiletkenlik olarak adlandırılan faz değişimine uğradıkları bir sürece girerler. BCS teorisinde, Cooper çifti olarak adlandırılan elektron çiftleri, fonon olarak adlandırılan örgü titreşimleriyle yakınlarında bulunan maddeyle hareketlerini eşleştirerek normalde elektrik direnci oluşturan atomlarla çarpışmaktan kaçınırlar (Cooper çiftlerinin yarıçapı 100 nm kadar olduğundan birbirleriyle üst üste binmeleri mümkündür).
İletken katıların içindeki elektronlar, sözde parçacıktır ve mutlak sıfıra yakın sıcaklıklarda sıkıca hapsedildiklerinde; spinon, orbiton ve holonlar olmak üzere üç farklı sanki parçacığa bölünmüş gibi davranırlar. Spinonlar spin ve manyetik moment, orbitonlar orbital konum, holonlar ise elektrik yükü taşırlar.
Hareket ve enerji
Özel görelilik teorisine göre, bir elektronun hızı ışık hızına yaklaştıkça gözlemcinin bakış açısına göre bağıl kütlesi artar. Böylelikle gözlemcinin konuşlanma sistemine göre elektronu hızlandırmak gittikçe zorlaşır. Elektronun hızı, vakumdaki ışık hızına (c) yaklaşabilir ancak hiçbir zaman ulaşamaz. Göreli (cye yakın bir hızda hareket eden) elektronlar, su gibi, ışık hızının cden ihmal edilemeyecek kadar az olduğu dielektrik bir ortama sokulduklarında geçici olarak ortamdaki ışıktan daha hızlı hareket ederler. Ortamla etkileşime girdiklerinde ise Çerenkov radyasyonu olarak bilinen zayıf bir ışık oluştururlar.
Özel göreliliğin etkileri, Lorentz faktörü olarak bilinen ve şeklinde tanımlanan bir niceliğe bağlıdır. Buradaki v, parçacığın hızını ifade eder. Bu hızla hareket eden elektronun kinetik enerjisi Ke ise şu şekildedir:
Buradaki me, elektronun kütlesidir. Örneğin, SLAC Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı bir elektronu yaklaşık 51 GeV'e kadar hızlandırabilir. Verilen hızda elektron dalga gibi davrandığı için de Broglie dalga boyu karakterine sahiptir. Bu değer, λe = h/p denklemiyle elde edilir (h Planck sabitini, p momentumu ifade eder). Yukarıdaki 51 GeV değerine sahip elektron dalga boyu, atom çekirdeğinden küçük yapıları keşfetmeye yetecek kadar düşük olan 'dir.
Oluşumu
Büyük Patlama teorisine göre patlamanın ilk milisaniyesinde, sıcaklık 10 milyar Kelvin'in üzerindeydi ve fotonların ortalama enerjisi bir milyon elektronvolttan yüksekti. Bu fotonlar elektron ve pozitron çiftleri kurmak için birbirleriyle etkileşime girmeye yetecek kadar enerjiye sahipti. Aynı şekilde, pozitron-elektron çiftleri birbirlerini annihilasyona uğratarak enerjili fotonlar yaydı:
+ ↔ +
Elektron, proton ve fotonlar arasındaki bu denge, evrenin evriminin bu safhası boyunca devam etti. 15 saniye geçmesinin ardından evrenin sıcaklığı, elektron-pozitron yapısının ortaya çıkma eşiğinin altına düştü. Kalan elektron ve pozitronların çoğu, evreni tekrar ısıtan gama radyasyonu salınımı yaparak birbirlerini annihilasyona uğrattılar.
Annihilasyon süreci boyunca, bilinmeyen nedenlerden ötürü parçacık sayısı antiparçacığınkinden fazla olmasından ötürü her bir milyar elektron-pozitron çiftinden bir kadar elektron arta kaldı. Bu durum, antiprotonlar yerine fazla protonların eşleşmelerine ve baryon asimetrisi olarak adlandırılan durumun ortaya çıkmasıyla evrendeki net yükün sıfır olmasına yol açtı. Kalan proton ve nötronlar, nükleosentez olarak bilinen süreçle, hidrojen ve helyum izotopları ile eser miktarda lityum oluşturacak biçimde birbirleriyle reaksiyonlara girmeye başladılar. Bu süreç, yaklaşık 5 dakikanın ardından zirve yaptı. Kalan nötronlar, yaklaşık bin saniyelik yarı ömürlerinin ardından negatif beta bozunmasına maruz kalarak birer proton ve elektron yaydı:
- + +
Sonraki 300.000-400.000 yıllık süreçte arta kalan elektronlar, atom çekirdeğiyle bağ kurmak için fazla enerjiye sahipti. Yeniden birleşme olarak adlandırılan sonraki safhada, nötr atomlar oluştu ve genişleyen evren, radyasyona uğrayabilecek derecede saydamlaştı.
Büyük Patlama'dan kabaca bir milyon yıl sonra yıldızların birinci nesli oluşmaya başladı. Yıldızlarda gerçekleşen nükleosentez, atom çekirdeğinin füzyonu sonrasında, elektronlarla annihilasyona uğrayarak gama ışınları salan pozitronların oluşumuna yol açar. Süreç, elektron sayısında sabit bir düşüş ve nötron sayısında bununla eşdeğer bir artışla sonuçlanır. Bununla birlikte yıldız evrimi süreci, radyoaktif izotopların senteziyle de yaşanabilir. Seçilmiş izotoplar, beta bozunmasına maruz kalarak atom çekirdeğinden birer elektron ve antinötrino salınımı yapabilirler. Bozunarak nikel-60 (60Ni) oluşturan kobalt-60 (60Co) izotopu, bu duruma örnektir.
Güneş'inkinden yaklaşık 20 kat büyük kütleli yıldızlar, yaşam süresinin sonunda kütleçekimsel çökmeye uğrayarak kara delik oluşturabilirler. Klasik fiziğe göre bu nesneler, elektromanyetik radyasyon dahil, Schwarzschild yarıçapından kaçınacak herhangi bir şeyi engelleyecek kadar güçlü bir kütleçekimsel çekime sahiptirler. Ancak kuantum mekaniği etkilerinin potansiyel olarak bu mesafeden Hawking radyasyonunun yayılımına izin verdiği tahmin edilir. Elektron ve pozitronların, bu yıldız kalıntılarının olay ufkunda meydana geldiği düşünülür.
Sanal bir parçacık çifti (örneğin elektron-pozitron çifti) olay ufku civarında oluştuğunda rastgele uzamsal dağılımı, bu parçacıklardan birinin dışarıda görünmesine izin verir. Bu süreç, kuantum tünelleme olarak adlandırılır. Kara deliğin kütleçekimsel potansiyeli, bu sanal parçacığın gerçek parçacığa dönüşmesi için gereken enerjiyi sağlayabilir. Buna karşılık çiftin diğer üyesine kara delik tarafından, kütle enerjisinde net bir kayba yol açan negatif enerji verilir. Hawking radyasyonunun oranı, kütlenin azalmasıyla artar ve bu artış, kara deliğin patlayıncaya kadar buharlaşmasına yol açar.
Kozmik ışınlar, yüksek enerjiyle uzayda hareket eden parçacıklardır ve bunlardaki en yüksek enerji değeri olarak kaydedilmiştir. Bu parçacıklar Dünya atmosferinde nükleonlarla çarpışınca, pionların da yer aldığı bir parçacık sağanağına neden olur. Dünya'nın yüzeyinden gözlemlenen kozmik radyasyonun yarısından fazlası, mezosferdeki pionların bozunması sonucu oluşan leptonlar olan müonları içerir:
- +
Müonlar da elektron ya da pozitron oluşturacak şekilde bozunabilirler:
- + +
Gözlemlenmesi
Elektronların uzaktan gözlemlenmesi için radyasyon yapan enerjilerinin saptanması gerekir. Örneğin, bir yıldızın taç küresi gibi yüksek enerjili ortamlardaki serbest elektronlar, Bremsstrahlung radyasyonu nedeniyle enerji saçan bir plazma oluşturur. Elektron gazı, elektron yoğunluğundaki eşzamanlı değişimlerin yol açtığı dalgalar olan plazma salınımına maruz kalır ve radyo teleskoplar kullanarak tespit edilebilen bir enerji yayılımı üretir.
Fotonların frekansları, enerjileriyle oranlıdır. Bir atomun enerji seviyelerinde geçiş yapan bağlı elektronlar, karakteristik frekanslardaki protonları emer ya da yayar. Örneğin atomlar, bir geniş spektrum kaynağı tarafından radyasyona maruz bırakıldığında, iletilen radyasyonun spektrumunda ayrı soğurma çizgileri görünür. Her element ya da molekül, hidrojen spektrumu serileri gibi karakteristik spektral çizgi grubuna sahiptir. Bu çizgilerin kuvvet ve genişliklerinin spektroskopik ölçümleri, maddenin fiziksel özelliklerinin ve bileşenlerinin tespitini sağlar.
Laboratuvar koşullarında bireysel elektronlar arasındaki etkileşimler; enerji, spin ve yük gibi belirli özelliklerin ölçümüne olanak sağlayan parçacık dedektörleriyle yapılabilir. Paul ve Penning tuzaklarının geliştirilmesiyle birlikte yüklü parçacıkların daha uzun süreler boyunca küçük bir alanda tutulabilmeleri mümkün hale geldiğinden parçacık özelliklerinin daha net ölçülebilmeye başlanmıştır. Elektronun manyetik momenti 1980'de, diğer bütün fiziksel sabitlerden daha kesin olarak 11. basamağa kadar bir hassasiyetle ölçülebilmiştir.
Elektronun enerji dağılımının ilk video görüntüleri Şubat 2008'de, Lund Üniversitesindeki bir ekip tarafından kaydedildi. Deneylerde, attosaniye darbeleri olarak adlandırılan ışık parlamaları kullanılarak elektronun hareketi ilk kez gözlemlenebilmişti.
Katı malzemelerdeki elektron dağılımı, açı çözümlemeli fotoemisyon spektroskopisi tarafından görselleştirilebilir. Fotoelektrik etkisini, özgün yapıyı anlayabilmek için kullanılan periyodik yapıların matematiksel bir gösterimi olan ters uzayı ölçmek için kullanan bu teknik; malzemedeki elektronların yön, hız ve dağılımlarını belirlemek için kullanılabilir.
Plazma uygulamaları
Parçacık demetleri
Elektron demetleri, kaynakta kullanılır. arasındaki odak çapı boyunca, 'ye kadarki enerji yoğunluklarında elektron demetleriyle kaynak yapılabilir ve genellikle dolgu malzemesi gerektirmezler. Normalde kaynak için uygun olmayan iletken malzemeleri birleştirmek için kullanılan bu teknik, elektronların hedefe ulaşmalarından önce gazla etkileşmemesi amacıyla vakumda gerçekleştirilir.
Elektron demeti litografi, mikrometreden daha küçük çözünürlüklerdeki yarı iletkenleri aşındırma yöntemidir. Görece yüksek maliyetli olması, yavaş çalışması, ışınların vakumda çalışması gerekmesi, elektronların katılardaki dağılma eğilimi olması ve 10 nm'ye kadar çözünürlük sınırı olması nedeniyle, özelleştirilmiş entegre devrelerin üretiminde kullanılır.
Elektron ışınıyla işleme, fiziksel özelliklerini değiştirmek ya da tıp ve gıda ürünlerini sterilize etme amacıyla metalleri radyasyona uğratmak için kullanılır. Elektron demetleri, yoğun radyasyonda sıcaklık artışına sebep olmadan camları akışkanlaştırır ya da sözde erimesini sağlar. Örneğin yoğun elektron radyasyonu, viskozite şiddetinin ani, aktivasyon enerjisinin ise aşamalı olarak düşmesine sebep olur.
Doğrusal parçacık hızlandırıcılar, elektron demetlerini üreterek tümörlerin radyoterapi yöntemiyle tedavisinde kullanılır. Elektron demetleri soğrulmadan önce belli bir sınırdaki derinliğe (5-20 MeV aralığında enerjiye sahip elektronlar için genelde 5 cm'ye kadar) kadar etki edebilmelerinden dolayı elektroterapi, bazal hücreli karsinom gibi yüzeysel deri bozukluklarının tedavilerinde de etkilidir. Elektron demetleri ayrıca, X ışınları tarafından radyasyona maruz kalmış bölgelerin tedavisinde destekleyici olarak da kullanılır.
Parçacık hızlandırıcılar, elektrik alanları kullanarak elektron ve antiparçacıkların enerjilerini yükseltir. Bu parçacıklar, manyetik alanlardan geçerken sinkrotron radyasyonu yayarlar. Bu radyasyonun yoğunluğunun spine bağlı olmasının elektron demetini kutuplaştırmasına Sokolov-Ternov etkisi denir. Kutuplanmış elektron demetleri, çeşitli deneylerde kullanılır. Sinkrotron radyasyonu ayrıca, elektron demetlerinin soğutularak parçacıkların momentum yayılımlarının azaltılmasını sağlar. Elektron ve pozitron demetleri, ortaya çıkan enerjinin parçacık dedektörleriyle gözlemlenmesi için, gerekli enerjiye ulaşana kadar hızlandırılarak çarpıştırılırlar.
Görüntüleme
Düşük enerjili elektron kırınımı, kristal malzemeleri koşutlanmış elektron demeti bombardımanına tutma ve sonrasında ortaya çıkan kırınım desenlerini gözlemleyerek malzemenin yapısını belirlemek için kullanılan bir yöntemidir. Elektronların sahip olmaları gereken enerji genellikle 20-200 eV arasındadır. Yansımalı yüksek enerjili elektron kırınımı ise çeşitli dar açılardan yollanan elektron demetini kullanarak kristal malzemelerin yüzeyini belirleme yöntemidir. Demet enerjisi genellikle 8-20 keV, geliş açısı ise 1-4 aralığındadır.
Elektron mikroskobu, gözlemlenmek istenen numuneye, odaklanmış elektron demeti gönderir. Bazı elektronlar, demetin malzeme ile etkileşime girmesiyle birlikte malzemenin hareket yönü, açısı ve bağıl fazı ve enerjisi gibi özelliklerini değiştirirler. Gözlemciler, elektron demetindeki bu değişimleri kaydederek malzemenin kararlı atomik görünüşünü elde ederler. Mavi ışıkta, geleneksel optik mikroskoplar yaklaşık 200 nm'lik kırınımla sınırlı çözünürlüğe sahiplerdir. Elektron mikroskopları ise elektronun de Broglie dalga boyu ile sınırlılardır. Örneğin 100.000 volt değerindeki potansiyel boyunca hızlandırılan elektronlar için dalga boyu 0,0037 nm'dir. Transmission Electron Aberration-Corrected Microscope, bireysel atomları çözümlemek için yeterli olan 0,05 nm'nin altında çözünürlük kapasitesine sahiptir.
Geçirimli ve taramalı olmak üzere iki tür elektron mikroskobu vardır. Geçirimli elektron mikroskopları, bir malzeme parçasından geçen elektron demetiyle bu malzemenin yük bağlaşımlı aygıta ya da fotoğraf slayda lenslerle yansıtılmasını sağlayarak tepegöz gibi çalışırlar. Taramalı elektron mikroskopları ise televizyonda olduğu gibi çalışılmış örnekten görüntü üretmek için iyi odaklanmış elektrona raster tarama yaparlar. Magnifikasyon oranı her iki mikroskop türünde de 100 ila 1.000.000 arasında ya da daha fazladır. Taramalı tünelleme mikroskopları ise, keskin metal ucundan üzerinde çalışılan malzemeye kuantum tünelleme ile elektronlar yollayarak malzeme yüzeyinin atomik çözünürlüklü görüntüsünü üretirler.
Diğer
Serbest elektron lazerlerinde göreli bir elektron demeti, alanları değişken yönleri gösteren dipol mıknatısları sırasının meydana getirdiği salındırıcıdan geçer. Elektronlar, rezonans frekansında radyasyon alanını güçlendirmek için aynı elektronlarla uyumlu olarak etkileşime giren sinkrotron radyasyonu yayarlar. Serbest elektron lazerleri, geniş frekanslarla, mikrodalgalardan hafif X ışınlarına uyumlu yüksek radyans derecesine sahip elektromanyetik radyasyon yayımı gerçekleştirebilirler. Bu araçlar; imalat ve iletişimin yanı sıra yumuşak doku cerrahisi gibi çeşitli tıbbi alanlarla kullanılır.
Elektronlar; laboratuvar araçları, bilgisayar ekranları ve televizyon alıcılarında çoğunlukla görüntüleme aracı olarak kullanılan katot ışını tüpleri için önemlidirler. Fotomultiper tüplerde fotokatoda çarpan her foton, saptanabilir bir akım darbesi üreten bir elektron yayılımı başlatır. Vakum tüpleri, elektron akışını, elektrik sinyallerini idare etmek için kullansa da; yerlerini transistör gibi katı hal aletlerine bırakmışlardır.