| elektron | |
| Symbol | e |
| Klasyfikacja | lepton, fermion |
| Ładunek | -e
1,60217653(14) × 10-19 C |
| Masa | 5.485 799 09(27) × 10–4 u
9,10938 × 10-31kg |
| Czas życia T1/2 | trwała |
| Spin | 1/2 |
Elektron, negaton, e, β − – trwała cząstka elementarna (lepton) będąca jednym z elementów atomu.
Elektron ma ładunek elektryczny równy e = –1,602 176 487(40)•10–19 C (ujemny ładunek elektryczny elementarny - skąd też nazwa negaton) i masę spoczynkową me≈9,10938•10-31 kg.
Spis treści |
Nazwę elektron wprowadził George Johnstone Stoney w 1891, dla elementarnej jednostki elektryczności ujemnej w procesie elektrolizy. Jako cząstka posiadająca ładunek ujemny oraz masę elektron został zaobserwowany w roku 1897 przez J.J. Thomsona podczas badania własności promieniowania katodowego uznał, że promieniowanie katodowe jest strumieniem cząstek o ładunku ujemnym.
W 1916 Gilbert Newton Lewis zauważył, że własności chemiczne atomów wynikają z oddziaływań elektronów atomów.
Elektrony w atomach poruszają się w wokół małego, dodatniego jądra w obszarach zwanych powłokami elektronowymi bądź orbitalami. Zachowanie elektronu w atomie zdeterminowane jest przez elektromagnetyczne oddziaływanie z dodatnim jądrem oraz pozostałymi elektronami. Rozmiary orbitali atomowych są rzędu 10-10 m czyli dziesiątej części nanometra, ale dla atomów wzbudzonych mogą być kilkadziesiąt razy większe. Orbitale elektronowe są od 10 do 100 tysięcy razy większe od jądra atomowego, którego średnica waha się od 10-15 do 10-14 m, co odpowiada skali femtometra.
Obojętny atom posiada tyle samo protonów w jądrze (ładunek dodatni) co elektronów na powłokach (ładunek ujemny). Dostarczenie energii z zewnątrz powoduje wzbudzenie elektronów do wyższych stanów bądź jonizację atomu (oderwanie elektronu). Zwykle w procesach takich wzbudzane są tylko elektrony z najwyższych powłok zwanych walencyjnymi, jednak promieniowanie o dużej energii wzbudza lub odrywa od atomu elektrony z głębszych powłok (patrz np. ekscyton Mahana - osobliwość w widmie na krawędzi Fermiego, z ang. Fermi-edge singularity lub promieniowanie charakterystyczne).
Zachowanie elektronów na powłokach atomowych determinuje własności atomów w reakcjach chemicznych.
Elektron odgrywa ogromną rolę w zjawiskach materii skondensowanej. Wynika to przede wszystkim stąd, że elektron posiada ładunek elektryczny, a oddziaływania elektromagnetyczne stanowią dominujący czynnik wpływający na własności układów fizycznych w tych zakresach energii i odległości. Dlatego elektron jest pośrednio bądź bezpośrednio obecny w większości zjawisk obserwowanych w fizyce materii skondensowanej.
Elektron w materii skondensowanej podlega oddziaływaniu innych cząstek i zachowuje się trochę inaczej niż elektron swobodny w próżni, ale w wielu problemach fizycznych może być postrzegany jako cząstka swobodna ale o innych parametrach (np. masie) niż rzeczywisty elektron. Tego typu cząstki nazywa się kwazicząstkami.
W fizyce ciała stałego elektrony i oddziaływania elektromagnetyczne są odpowiedzialne za tworzenie się wiązań w kryształach, a tym samym wpływają na własności sieci krystalicznej.
Przez elektron w fizyce materii skondensowanej (dotyczy to zarówno materii miękkiej i fizyki ciała stałego) rozumie się zwykle kwazicząstkę o zrenormalizowanych własnościach (patrz np. ciecz Fermiego, ciecz Luttingera, stany Pankratowa, funkcja Blocha, masa efektywna). Chcąc wyrażać się ściśle, należałoby mówić np. elektron w ciele stałym, jednak zwykle zakłada się, że fakt mówienia o kwazicząstce wynika z kontekstu, w jakim używa się sformułowania elektron.
Masa efektywna elektronu (elektronu rozumianego jako kwazicząstka) w fizyce materii skondensowanej jest zwykle różna od masy elektronu swobodnego - w większości kryształów na dnie pasma jest ona dużo mniejsza.
Relacja dyspersji elektronu zależy od struktury pasmowej i modelu jaki używany jest do opisu konkretnego zjawiska. W najprostszych modelach przyjmuje się kwadratową zależność dyspersyjną (np. niektóre półprzewodniki) i wprowadza nieparaboliczne poprawki. W metalach, gdzie mamy do czynienia z częściowo wypełnionym pasmem przewodnictwa, bardzo często stosuje się model, w którym relacja dyspersji jest liniowa (liniowe rozwinięcie relacji dyspersji wokół powierzchni Fermiego).
Przybliżenie takie jest słuszne, gdy rozważamy niskoenergetyczne wzbudzenia cząstka-dziura wokół powierzchni Fermiego.
Elektron w fizyce ciała stałego przedstawiany jest w różnych reprezentacjach. Podstawowymi z nich są
Efektami, w których manifestują się własności elektronowe w materii skondensowanej są tutaj tunelowanie elektronów wykorzystywane w układach półprzewodnikowych oraz skaningowym mikroskopie tunelowym, ale także wiele innych własności i zjawisk jak
Zjawiska zachodzące z udziałem elektronów zwykle należą do mechaniki kwantowej i jako takie podlegają zasadzie nieoznaczoności Heisenberga.
Elektron ma spin 1/2, jest więc zaliczany do fermionów i podlega statystyce Fermiego-Diraca. Wszystkie elektrony są całkowicie nierozróżnialne. Aby całkowicie opisać elektron, wystarczy podać jego stan kwantowy.
Antycząstką elektronu, tj. odpowiadającą elektronowi cząstką antymaterii, jest antyelektron, zwany krócej pozytonem (a często również elektronem dodatnim). Jeżeli spotka się elektron z antyelektronem dochodzi do anihilacji, w wyniku której ginie elektron i pozyton, a powstają dwa fotony promieniowania gamma (γ) o energii 0,511 MeV. Podczas zderzenia fotonu gamma o takiej lub większej energii może zajść zjawisko odwrotne: kwant gamma zostaje pochłonięty, a pojawia się pozyton i elektron.
Elektron może brać udział w reakcjach jądrowych. Elektron może być emitowany z jądra atomowego – nazywany jest wówczas promieniowaniem beta (β) a przemiana jądrowa rozpad beta minus. Wyemitowane cząstki beta mają bardzo dużą energię i zdolność jonizacji materii. Niektóre jądra atomowe emitują antyelektrony, przemiana ta to rozpad beta plus.
Jądro atomowe może też pochłonąć elektron, jest to zazwyczaj elektron z najniższej powłoki elektronowej, przemiana taka nazywana jest wychwytem elektronu.
| Cząstki elementarne | |||||||||||||||||||||
|
|
||||||||||||||||||||
|
|||||||||||||||||||||
|
|||||||||||||||||||||
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
||||||||||||||||||||
W Modelu Standardowym elektron jest cząstką elementarną pierwszej generacji i tworzy dublet z neutrinem elektronowym.
Elektron w klasyfikacji cząstek subatomowych jest zaliczany do leptonów. Elektron wchodzi w interakcje z innymi leptonami poprzez oddziaływania elektromagnetyczne i słabe.
Elektrony mogą swobodnie poruszać się w próżni, co jest wykorzystywane w próżniowych lampach elektronowych. W innych środowiskach (np. powietrzu) ich ruch jest hamowany, bo przyłączają się do atomów substancji tworząc jony ujemne. W gazach szybko poruszające się elektrony mogą wywołać wzbudzenie atomu lub jego jonizację, a w konsekwencji emisję fotonów. Zjawisko to w przyrodzie jest przyczyną zorzy polarnej, zaś w technice znalazło zastosowanie w lampach wyładowczych (np. lampy jarzeniowe, tzw. świetlówki).
Zgodnie z teorią fal materii elektron może być postrzegany jako odpowiadająca mu fala materii. Może ona podlegać dyfrakcji i interferencji na przeszkodach. Ze względu na długość fali, znacznie mniejszą od długości fali świetlnej, elektrony nadają się doskonale jako czynnik przenoszący informację w mikroskopach. Mikroskop, w którym odpowiednikiem światła są elektrony, nazywa się mikroskopem elektronowym.
Poruszające się elektrony, najczęściej w wyniku przyłożenia napięcia elektrycznego, to prąd elektryczny.
