elektron

Elektron, negaton, e⁻, β⁻ – trwała cząstka elementarna o ładunku elektrycznym o wartości 1,602189 · 10⁻¹⁹ C, masie spoczynkowej wynoszącej 9,1094 · 10⁻³¹ kg i niecałkowitym spinie ½. Elektron wykazująca dualizm korpuskularno-falowy, odkryta w 1897 r. przez angielskiego fizyka J. J. Thomsona. Elektrony wraz z nukleonami stanowią podstawowe składniki atomów. Cząsteczki te mogą również występować w postaci cząstek swobodnych. Wykorzystywane są m.in. w badaniach właściwości atomów i innych cząstek elementarnych, w terapii chorób nowotworowych (radioterapii), a także w lampach elektronowych, lampach wyładowczych oraz mikroskopach elektronowych.

Właściwości elektronu

Elektron jest trwałą cząstką elementarną o ujemnym ładunku elektrycznym 1,602189 · 10⁻¹⁹ C, masie spoczynkowej 9,1094 · 10⁻³¹ kg oraz niecałkowitym spinie ½ (liczbie spinowej ½). Elektron został odkryty w 1897 r. przez angielskiego fizyka Josepha Johna Thomsona w trakcie badań nad przewodnictwem elektrycznym gazów.

Elektrony (negatony, elektrony ujemne), miony, taony i neutrina (elektronowe, mionowe, taonowe) oraz właściwe im antycząstki – antyelektrony (pozytony, elektrony dodatnie), antymiony, antytaony i antyneutrina, zaliczane są do grupy cząstek elementarnych, zwanych leptonami. Leptony oraz inne cząstki o spinie niecałkowitym (kwarki) należą do fermionów. Trwałą materię budują cząstki elementarne stanowiące pierwszą generację fermionów – elektrony, kwarki górne i kwarki dolne (wchodzące w skład protonów i neutronów) oraz neutrina elektronowe.

Elektrony, jak wszystkie cząstki elementarne, wykazują dualizm korpuskularno-falowy – przejawiają zarówno właściwości cząstek obdarzonych masą (mogą zderzą się z innymi cząstkami) oraz właściwości fali (mogą ulegać zjawiskom dyfrakcji i interferencji). Falowe właściwości elektronów są stosunkowo łatwe do zaobserwowania w odróżnieniu od innych większych cząstek (np. protonów i neutronów). Wynika to z małej masy elektronów oraz większej długości fali materii (fali de Broglie’a) dla tych cząstek. 

Elektron jako składniki atomu

Atom jest podstawowym składnikiem materii, składającym się z jądra atomowego o dużej gęstości (ok. 99,9% masy całego atomu) oraz krążących wokół jądra ujemnie naładowanych elektronów. Jądro atomowe budują nukleony związane ze sobą siłami jądrowymi – protony o dodatnim ładunku elektrycznym oraz neutrony nie posiadające ładunku elektrycznego. Atomy są elektrycznie obojętne – dodatni ładunek jądra atomowego równoważony jest przez ujemny ładunek elektronów. Liczba protonów w jądrze danego pierwiastka, określona przez liczbę atomową (Z), jest więc równa liczbie elektronów w atomie tego pierwiastka.
 

Elektrony w atomie tworzą powłoki elektronowe, czyli grupy elektronów o takiej samej energii, poruszające się w jednakowej odległości od jądra atomowego. Elektrony o najniższej energii zajmują powłoki położone najbliżej jądra atomowego, powłoki dalsze zajmują elektrony o odpowiednio wyższej energii. Najmniejsze atomy posiadają jedną powłokę elektronową, największe – siedem powłok elektronowych. Liczba elektronów na danej powłoce wynosi 2n², gdzie n – numer powłoki elektronowej (np. na pierwszej powłoce mogą znajdować się maksymalnie dwa elektrony, na drugiej – 8 elektronów, na trzeciej – 18 elektronów). Granicę atomu stanowi najbardziej zewnętrzna powłoka, na której znajdują się elektrony walencyjne decydujące o fizycznych i chemicznych właściwościach atomu oraz uczestniczące w tworzeniu wiązań chemicznych.

Elektron swobodny

Elektrony mogą występować jako cząstki swobodne w postaci niezwiązanej z atomem lub inną cząstką elementarną (np. w przestrzeni kosmicznej, gdzie powstają w wyniku jonizującego oddziaływania promieniowania kosmicznego bądź jonizacji termicznej w atmosferze gwiazd), a także jako elektrony walencyjne poruszające się pomiędzy węzłami sieci krystalicznej w całej objętości metalu.

Emisja elektronów swobodnych z różnych substancji (np. przewodników, półprzewodników) do otoczenia może zachodzić wskutek dostarczenia elektronom odpowiedniej ilości energii niezbędnej do wykonania pracy przeciwko siłom wiążącym je we wnętrzu tej substancji (praca wyjścia). W zależności od rodzaju dostarczonej energii wyróżnia się termoemisję (emisję termoelektronową) zachodzącą w wyniku ogrzania, emisję polową zachodzącą w wyniku oddziaływania silnego pola elektrycznego, emisję fotoelektronową (fotoemisję, zjawisko fotoelektryczne) zachodzącą w wyniku oddziaływania fotonów promieniowania elektromagnetycznego, oraz emisję wtórną zachodzącą w wyniku bombardowania elektronami o wysokiej energii.

Elektrony swobodne mogą również powstawać podczas rozpadu jądra atomowego niektórych izotopów promieniotwórczych (rozpad β⁻), rozpadu nietrwałych cząstek elementarnych (mionów μ⁻) oraz w wyniku kreacji par elektron-pozyton z energii fotonu.

Wykorzystanie elektronów

Elektrony przyspieszane w akceleratorach cząstek naładowanych wykorzystywane są w fizyce cząstek elementarnych (badania właściwości cząstek elementarnych i zachodzących pomiędzy nimi oddziaływań), w medycynie (radioterapia – terapia elektronowa, sterylizacja medyczna), w przemyśle spożywczym (konserwacja żywności – radiacyjne utrwalanie żywności) oraz w przemyśle chemicznym (procesy polimeryzacji i modyfikacji właściwości tworzy sztucznych). 

Wiązki elektronów wykorzystywane są w technice spawania metali (spawanie wiązką elektronową), w produkcji zminiaturyzowanych układów elektronicznych na podłożach półprzewodnikowych (elektronolitografia), w badaniach struktury powierzchni materiałów krystalicznych (dyfrakcja elektronów o niskiej energii, LEED), w lampach elektronowych, lampach wyładowczych oraz mikroskopach elektronowych.