Elektron

Katodstråle i ett magnetfält; cyklotronradien ger elektronens massa.

En elektron, historiskt även känd som negatron, är en elementarpartikel med en negativ laddning (elementarladdning). Elektronen tillhör partikelgruppen leptoner och är därmed en fermion. En atomkärna omgiven av elektroner bildar en atom. Elektroner är lätta partiklar; en proton är cirka 1 836 gånger tyngre än elektronen.

Elektronen har en elektrisk laddning på minus elementarladdningen (-1,6021765·10^-19 coulomb) och en massa på 9,1093826·10^-31 kg (0,51 MeV/c²). Elektronen tillhör familjen leptoner och har spinn +½ eller -½, och är alltså en fermion, det vill säga att den beskrivs i statistisk mekanik med Fermi-Dirac-statistik. Elektronens magnetiska dipolmoment är ungefär en promille större än Bohrmagnetonen.

Elektronen betecknas ofta med symbolen e⁻. Antipartikeln till elektronen heter positron, vilken har samma egenskaper som elektronen men motsatt laddning.

Historia

Begreppet elektron användes första gången 1871 i ett arbete av Wilhelm Eduard Weber om elektricitet i metaller, med betydelsen "elektrisk smådel". Ordet elektron kommer från grekiskan och betyder bärnsten - som laddas när det gnids med vissa material. Begreppet fick dock ingen vidare användning, även om Hermann von Helmholtz 1881 införde en enhetsladdning för mängden elektricitet som en monovalent atom har enligt Faradays lag (Michael Faraday). 1897 upptäckte J J Thomson att elektronen var en subatomär partikel när han studerade katodstrålar. Om man antog att strålarnas partiklar hade samma laddning som monovalenta joner, visade avlänkningen i ett magnetfält att dess massa var ungefär 2 000 gånger mindre än väteatomens. I samma tid visade Pieter Zeeman och Hendrik Lorentz att partiklar med samma e/m-förhållande kunde förklara Zeemaneffekt i atomspektrum.

I början trodde flera forskare – bland dem Thomson – att elektronens massa endast var en effekt av dess elektrostatiska energi. Genom att likställa coulombenergi och massa får man den klassiska elektronradien, som är lika med spridningslängden för Thomsonspridning, ungefär 10^-15 m. Enligt kvantelektrodynamik är dock elektronen en punktpartikel.

2008 lyckades forskare för första gången filma en elektron.

Atomer och molekyler

Elektroner i en atom kretsar kring atomkärnan. Elektronerna har vissa bestämda energivärden, ju mer energi en elektron har desto längre bort från kärnan med de positivt laddade protonerna befinner den sig. De elektroner som har samma energivärde befinner sig på samma energinivå, så kallade skal, i atomen.

Om en elektron tillförs extra energi hoppar den ett skal utåt, atomen är då exciterad. Det finns en maxgräns för hur mycket energi en elektron kan tillföras och ändå vara en del av en atom. Tillförs en elektron mer energi än maxgränsen så frigör den sig från atomen, varvid atomen blir en positivt laddad jon.

Elektricitet

Elektricitet, som ofta benämns elektrisk ström, orsakas av att laddade partiklar rör sig under inflytande av ett yttre elektriskt fält. Vanligen är de laddade partiklarna fria elektroner i en elektrisk ledare. Strömstyrka kan mätas med en galvanometer (amperemeter).

Statisk elektricitet beror på att ett objekt har ett överskott på laddningar. Om laddningarna är negativa, som elektroner, säger man att objektet är negativt laddat; annars är det positivt laddat. När det finns lika många negativa som positiva laddningar (protoner), sägs objektet vara elektriskt neutralt. Ett underskott av laddningar kan behandlas som ett överskott av motsatt laddning. Laddningsmängd mäts med elektrometer.

Kemi

Kemi handlar i allt väsentligt om att studera hur elektroner i en atoms elektronskal utbyts med andra atomer. Man säger att ett visst atomslag har ett antal valenselektroner som kan lånas / delas / lånas ut, och denna process kallas kemisk reaktion, varvid nya molekyler och därmed ämnen byggs upp. Elektroner finns i atomer, där de befinner sig i atomskalen. Maximala antalet möjliga elektroner i skalen följer formeln 2n². Detta betyder dock inte att skalen alltid kommer att vara fyllda till sitt max då atomerna strävar efter att ha 8 valenselektroner.

Skalen har namn efter bokstäver med start från K, det vill säga skal 1 heter K, skal 2 heter L och så vidare till Q som är det högsta skalet. Skalen namngavs av Charles Glover Barkla som valde att börja indexeringen med K, för att ge bokstavsutrymme om det skulle komma att upptäckas nya skal med lägre värden. Det har dock visat sig att Charles Glover Barkla hade funnit den lägsta nivån när han namngav skalen.

Eftersom det är energimässigt gynnsamt att ha alla skal fyllda gör detta vissa föreningar mycket stabila. Till exempel är ädelgaserna, som har alla skal fyllda, väldigt obenägna till att ingå i kemiska föreningar, medan till exempel kol, syre och väte är betydligt mer benägna till detta.

Subatomär fysik

Elektroner deltar också i de subatomära fysikens reaktioner. Välkänd är betasönderfall där i vissa fall en neutron i en atomkärna sönderfaller i en proton och en elektron. Fria neutroner råkar förr eller senare ut för samma öde (T_½ = 12 min).