Elektron

Izvor: Vidipedija
Skoči na: orijentacija, traži

Elektron je elementarna subatomska čestica koja nosi negativni električni naboj. Pripada porodici leptona i ima spin-½. Sudjeluje u elektromagnetskim interakcijama, a ima masu koja iznosi približno 1/1836 mase protona. Zajedno s atomskom jezgrom, (protonima i neutronima), elektroni predstavljaju ključni građevni element atoma. Njihove interakcije s jezgrama drugih atoma glavni su uzrok kemijskog vezivanja.

Povijest

Naziv "elektron" dolazi od grčke riječi za jantar, ήλεκτρον. Kao što je zapisao Grčki filozof Tales oko 600 godina PNE, naboj (ili elektricitet) se može akumulirati trljanjem krzna po različitim materijalima, kao što je jantar. Grci su znali da nabijena jantarna dugmad mogu privlačiti lake objekte kao što je, primjerice, kosa. Isto su tako znali da ako dovoljno dugo vremena trljaju jantar mogu dobiti iskakanje iskre. Ovo svojstvo potiče iz triboelektričnog efekta.

Elektron kao jedinicu naboja u elektrokemiji je predstavio G. Johnstone Stoney 1874. godine, a isti čovjek je skovao i termin "elektron" 1894. godine. Tijekom kasnih 1890-tih, velik broj fizičara je podržavao ideju da se elektricitet može zamisliti kao skupina diskretnih jedinica, od kojih je svaka već tada dobila svoj naziv, ali u tadašnje vrijeme se niti jedna od njih nije mogla dovoljno precizno utvrditi eksperimentom.

O elektronima

J.J. Thomson je 1897. godine došao do otkrića da je elektron subatomska čestica, tijekom eksperimenata provođenih u laboratoriju Cavendish na Sveučilištu u Cambridgeu. Tijekom ovih eksperimenata je proučavao katodne cijevi (eng. CRT - Cathode Ray Tube), zatvorene staklene cilindre u kojima su dvije elektrode razdvojene vakuumom. Kada se preko elektroda narine napon stvaraju se katodne zrake, što uzrokuje sjaj cijevi. Thomson je eksperimentima otkrio da se negativni naboj nije mogao odvojiti od katodnih zraka utjecajem magnetizma, ali da se zrakama može mijenjati putanja kroz utjecaj elektromagnetskog polja. Thomson je zaključio da su te zrake, umjesto od elektromagnetskih valova, sastavljene od negativno nabijenih čestica (eng. "corpuscles"). Izmjerio je omjer njihove mase i naboja i saznao da je preko tisuću puta manji od omjera naboja i mase iona vodika, što je upućivalo da su to ili vrlo snažno nabijene čestice - ili da su masom vrlo malene. Kasniji eksperimenti drugih znanstvenika potvrdili su potonji zaključak vrlo malene mase, budući da je omjer mase i naboja bio neovisan o izboru materijala katode i vrsti plina u cijevi (ukoliko vakuum zamijenimo plinom). Sve ovo dovelo je Thomsona do zaključka da su rezultirajuće negativno nabijene čestice u potpunosti neovisne o svim materijalima - da su [[fundamentalna čestica|fundamentalne], odnosno elementarne čestice.

Naboj elektrona je precizno izmjeren tek 1909. godine. To je učinio R. A. Millikan u svojem slavnom eksperimentu "kapanja ulja".

Znanstvenici su također otkrili da se kemijska svojstva elemenata ponavljaju periodički (što je osnova periodnog sustava elemenata). Ovo ponavljanje je u početku objašnjavano isključivo atomskom masom elemenata, no budući da je to ostavljalo nerazjašnjene anomalije u periodnoj tablici elemenata, znanstvenici su pokušavali pronaći bolje objašnjenje. 1913. godine Henry Moseley je predstavio koncept atomskog broja i time potpuno objasnio periodni zakon u skladu s brojem protona sadržanog u pojedinom elementu. Iste godine je Niels Bohr ukazao da su elektroni stvarni temelj periodnog sustava. Gilbert Newton Lewis je 1916. godine objasnio kemijsko vezivanje elemeneta uslijed interakcija elektrona.

Klasifikacija

Elektron se nalazi u kategoriji subatomskih čestica nazvanoj leptoni, a za koje se vjeruje da su elementarne čestice.

Kao i sve čestice (prema kvantnoj teoriji), elektroni se također mogu ponašati kao valovi. Ovo je Niels Bohr nazvao dualnošću ili komplementarnošću čestica. Specifično svojstvo dualnosti elektrona može se dokazati eksperimentom "dvostrukog proreza" (tzv. "dual-slit" eksperiment).

Elektron, kao i svaka čestica, posjeduje svoju antičesticu, koju nazivamo pozitron. Pozitron umjesto negativnog nosi pozitivni naboj. Carl D. Anderson, čovjek koji je otkrio pozitrone, predložio je da standardne elektrone nazovemo negatronima, dok bi pojam elektron koristili kao generički izraz koji bi opisivao i pozitivnu i negativnu varijantu čestice. Upotreba ovakve terminologije se danas može pronaći u nekoj literaturi, ali nije općeraširena.


Svojstva i ponašanje

Elektroni imaju električni naboj u iznosu −1.6021765 × 10−19 C (kulona), masu u iznosu 9.11 × 10−31 kg (masa je dobivena prema mjerenjima omjera naboja i maste) te relativističku masu mirovanja od približno 0.511 MeV/c². Masa elektrona približno iznosi 1/1836 mase protona. Uobičajen simbol za elektron je e. Razdoblje poluraspada elektrona je >4.6x10^26 godina.

Prema kvantnoj teoriji, elektroni mogu biti predstavljeni kao valne funkcije, iz kojih se može proračunati probabilistička elektronska gustoća. Atomska orbitala svakog elektrona u atomu se može opisati kao valna funkcija. Prema Heisenbergovom načelu nesigurnosti, ne mogu se istovremeno odrediti i točna količina gibanja i točan položaj elektrona. Ovo ograničava naše znanje o elektronu - što preciznije znamo položaj neke čestice, s manjom preciznošću znamo njenu količinu gibanja (i obratno).

Elektron ima spin ½ i pripada skupini fermiona (prati principe Fermi-Dirac statistike). Uz svoj intrističan kutni moment gibanja, elektron ima i intrističan magnetni moment duž osi vrtnje.

Elektroni nekog atoma su vezani elektroni, dok su elektroni koji se slobodno gibaju u vakuumu, prostoru ili nekom mediju slobodni elektroni. Slobodni elektroni se mogu fokusirati u elektronsku zraku. Prilikom gibanja slobodnih elektrona, stvara se ukupni tok naboja koji nazviamo električnom strujom. Brzina fizikalnog putovanja (promjene položaja) elektrona u metalnim žicama je reda veličine mm/sat. No s druge strane, brzina kojom struja u jednoj točki žice uzrokuje gibanje naboja u drugom dijelu žice (tzv. brzina propagacije), obično iznosi 75% brzine svjetlosti.

Neko tijelo ima električni naboj kada ima višak ili manjak elektrona koji su potrebni da bi se održao balans prema pozitivnom naboju jezgre. Kad postoji suvišak elektrona u odnosu na protone u jezgri, kažemo da je tijelo negativno nabijeno, a kada postoji manjak elektrona u odnosu na protone, kažemo da je tijelo pozitivno nabijeno. U slučaju kad je broj protona u jezgri istovjetan broju elektrona u elektronskom omotaču atoma, onda kažemo da je tijelo električki neutralno. Makroskopska tijela mogu razviti električni naboj kroz utjecaj trenja (trljanjem) ili kroz fenomen triboelektriciteta.

Prilikom sudara elektrona i pozitrona, oni se međusobno poništavaju i stvaraju parove visokoenergetskih fotona ili druge čestice. S druge strane, visokoenergetski fotoni se mogu transformirati natrag u elektron i pozitron kroz proces koji se naziva "produkcija parova", no samo uz prisutnost treće nabijene čestice, poput protona.

Elektron trenutno opisujemo kao elementarnu česticu, budući da nema poznate podstrukture. Stoga se, radi jednostavnosti računanja, elektron predstavlja kao točkasti naboj, bez prostornih svojstava. Ipak, ako bi neka testna čestica prisilno prišla elektronu, izmjerili bismo promjene u njegovom naboju i masi. Ovaj efekt je svojstven svim elementarnim česticama. Trenutne teorije nagađaju da je ovaj efekt posljedica fluktuacije vakuuma u lokalnom prostoru čestice, tako da ova svojstva naboja i mase, mjerena sa znatne udaljenosti od čestice, ustvari reprezentiraju sumu golih svojstava same čestice i svojstava okolnog vakuuma.

Radijus elektrona je 2.8179 × 10−15 m. Ovo je radios dobiven iz elekričnog naboja elektrona korištenjem klasične elektrodinamike, ignorirajući kvantnu mehaniku. Klasična elektrodinamia (kakvu je utemeljio Maxwell) je stariji koncept koji se često koristi za objašnjavanje elektriciteta kroz praktičnu uporabu njegovih svojstava (primjerice, elektrotehnika, fizika poluvodiča, elektromagnetizam, i tako dalje). Kvantna mehanika, s druge strane, praktična je za objašnjavanje svojstava elektrona kroz prizmu moderne fizike čestica, kao i kroz praktičnu primjenu u nekim aspektima fizike lasera.

Prema trenutnim teorijama, brzina elektrona može dosegnuti brzinu svjetlosti u vakuumu, ali nikad se ne može izjednačiti s njom. Ovo ograničenje postavljeno je Einsteinovom specijalnom teorijom relativnosti, koja definira brzinu svjetlosti kao konstantu u svim inercijalnim sustavima. Ipak, ako bismo elektrone, gledane kroz prizmu specijalne teorije relativnosti, ubacili u dielektričan medij poput vode (u kojem je brzina svjetlosni znatno manja od c), elektroni bi privremeno putovali brže od svjetlosti u istom mediju. Kao elektroni reagiraju s materijom medija, oni generiraju blijedu plavkastu svjetlost nazvanu Cherenkovljeva radijacija.

Vanjske poveznice