Elektron – subatomär partikel: egenskaper, laddning och betydelse

Upptäck elektronens egenskaper, negativa laddning, roll i atomer och i vardagsteknik — hur dessa subatomära partiklar driver elektricitet, energiöverföring och modern teknologi.

En elektron är en mycket liten partikel av materia. Dess symbol är e⁻ och den upptäcktes av J. J. Thomson 1897.

Elektronen är en subatomär partikel och räknas som en elementarpartikel eftersom den inte är uppbyggd av mindre beståndsdelar i dagens standardmodell för partikelfysik. Varje atom består av elektroner som kretsar kring eller befinner sig i elektronmoln runt atomkärnan. En elektron kan också vara fri, det vill säga skild från en atom.

Egenskaper

• Elektrisk laddning: en elektron har negativ laddning. Den elementarladdningens storlek är e = 1,602176634×10⁻¹⁹ coulomb (med tecken − för elektronen) .
• Massan: elektronen har mycket liten vilomassa, ungefär 9,11×10⁻³¹ kg, vilket gör att den lätt accelereras och kan få stor hastighet med relativt små energitillskott .
• Spin: elektronen är en fermion med spinn 1/2. Detta ger upphov till kvantregler som Pauli-exklusionsprincipen, som bland annat förklarar strukturen hos grundämnen och deras atomnummer.
• Rörelsehastighet: fria elektroner kan uppnå hastigheter nära ljusets hastighet, särskilt i högenergetiska processer som betasönderfall (där betapartiklar — ofta elektroner — frigörs) och i de inre elektronskalen hos tunga atomer.

Krafter och växelverkningar

Elektroner deltar i flera fundamentala växelverkningar: gravitationella, elektromagnetiska och svaga interaktioner. I vardagliga sammanhang dominerar den elektromagnetiska kraften: lika laddningar stöter bort varandra medan motsatta laddningar attraherar (till exempel elektroner och protoner). En elektron skapar ett elektriskt fält runt sig som beskriver dessa krafter. Den ström av elektroner som rör sig i ledare är i praktiken det vi menar med elektricitet, och den driver apparater, motorer och elektronik genom att transportera energi och laddning .

Kvantmekanik och elektronens natur

I kvantmekaniken beskrivs elektronen inte som en liten kula utan som en vågfunktion som ger sannolikheter för var den kan påträffas. Den uppvisar våg-partikel-dualitet: i vissa experiment beter sig elektroner som partiklar, i andra som vågor. Heisenbergs osäkerhetsprincip sätter gränser för hur noggrant man kan mäta position och rörelsemängd samtidigt.

Pauli-exklusionsprincipen (gällande fermioner som elektronen) innebär att två elektroner i ett atomärt system inte kan ha samma kvanttillstånd. Detta är avgörande för kemins uppbyggnad: valenselektronerna bestämmer hur atomer reagerar och bildar kemiska bindningar.

Elektroner i materia och teknologi

• Kemi: elektroner i yttersta skalet (valenselektroner) bestämmer ett grundämnes kemiska egenskaper och hur det bildar bindningar.
• Elektrisk ledning: i metaller är många elektroner fria att röra sig och fungerar som laddningsbärare. I halvledare kan både elektroner och "hål" (frånvaro av elektron) bära laddning — detta utnyttjas i dioder, transistorer och annan modern elektronik.
• Superledning: vid mycket låga temperaturer kan elektroner bilda par (Cooperpar) och leda ström utan elektriskt motstånd.

Upptäckt och viktiga experiment

J. J. Thomson identifierade elektronen 1897 genom experiment med katodstrålar. Senare bestämde R. A. Millikan (Millikans oljedroppsexperiment, tidigt 1900-tal) elementarladdningens storlek med hög precision. Davisson‑Germer-experimentet visade senare elektroners vågegenskaper. Positronen, elektronens antipartikel med positiv laddning (e⁺), upptäcktes experimentellt av Carl Anderson 1932.

Betydelse

Elektronen är central för både grundläggande fysik och praktisk teknologi. Den förklarar kemiska bindningar, materialegenskaper, elektriska fenomen och utgör grunden för modern elektronik, datorteknik, ljuskällor och mycket annat. Studier av elektronen och dess växelverkningar har också lett till utvecklingen av kvantteori och standardmodellen inom partikelfysik.

Sammanfattningsvis är elektronen en grundläggande negativt laddad partikel med mycket liten massa, kvantmekaniska egenskaper (spinn 1/2, vågfunktion) och en avgörande roll i naturens och teknikens många processer.

Beskrivning

Elektroner har den minsta elektriska laddningen. Denna elektriska laddning är lika stor som protonens laddning, men har motsatt tecken. Därför dras elektronerna till protonerna i atomkärnorna. Denna attraktion gör att elektroner nära en atomkärna bildar en atom. En elektron har en massa som är ungefär 1/1836 gånger större än en proton.

Ett sätt att tänka på elektronernas placering i en atom är att föreställa sig att de kretsar på fasta avstånd från kärnan. På så sätt finns elektronerna i en atom i ett antal elektronskal som omger den centrala kärnan. Varje elektronskal ges ett nummer 1, 2, 3 och så vidare, med början från det som ligger närmast kärnan (det innersta skalet). Varje skal kan rymma upp till ett visst maximalt antal elektroner. Elektronernas fördelning i de olika skalen kallas elektronarrangemang (eller elektronisk form eller form). Elektronarrangemanget kan visas genom numrering eller genom ett elektrondiagram. (Ett annat sätt att tänka på elektronernas placering är att använda kvantmekanik för att beräkna deras atomorbitaler).

Elektronen är en av en typ av subatomära partiklar som kallas leptoner. Elektronen har en negativ elektrisk laddning. Elektronen har en annan egenskap som kallas spin. Dess spinnvärde är 1/2, vilket gör den till en fermion.

De flesta elektroner finns i atomer, men andra rör sig oberoende av varandra i materia eller tillsammans som katodstrålar i ett vakuum. I vissa supraledare rör sig elektronerna i par. När elektroner flödar kallas detta flöde för elektricitet eller elektrisk ström.

Ett föremål kan beskrivas som "negativt laddat" om det finns fler elektroner än protoner i ett föremål, eller "positivt laddat" om det finns fler protoner än elektroner. Elektroner kan förflytta sig från ett föremål till ett annat när man rör vid dem. De kan dras till ett annat föremål med motsatt laddning eller stötas bort när de båda har samma laddning. När ett föremål är "jordat" går elektroner från det laddade föremålet in i jorden, vilket gör föremålet neutralt. Detta är vad åskledare (åskledare) gör.

Kemiska reaktioner

Elektroner i sina skal runt en atom är grunden för kemiska reaktioner. Fullständiga yttre skal, med flest elektroner, är mindre reaktiva. Yttre skal med färre än maximalt antal elektroner är reaktiva. Antalet elektroner i atomer är den underliggande grunden för det kemiska periodiska systemet.

Mätning

Elektrisk laddning kan mätas direkt med en apparat som kallas elektrometer. Elektrisk ström kan mätas direkt med en galvanometer. Den mätning som avges av en galvanometer skiljer sig från den som avges av en elektrometer. I dag kan laboratorieinstrument innehålla och observera enskilda elektroner.

Att "se" en elektron

Under laboratorieförhållanden kan interaktionen mellan enskilda elektroner observeras med hjälp av partikeldetektorer som gör det möjligt att mäta specifika egenskaper som energi, spinn och laddning. I ett fall användes en Penning-fälla för att hålla en enskild elektron i 10 månader. Elektronens magnetiska moment mättes med en precision på elva siffror, vilket 1980 var en större noggrannhet än för någon annan fysikalisk konstant.

De första videobilderna av en elektrons energifördelning togs av ett team vid Lunds universitet i Sverige i februari 2008. Forskarna använde extremt korta ljusblixtar, så kallade attosekundpulser, vilket gjorde det möjligt att för första gången observera en elektrons rörelse. Elektronernas fördelning i fasta material kan också visualiseras.

Antipartiklar

Elektronens antipartikel kallas positron. Den är identisk med elektronen, men bär elektriska och andra laddningar med motsatt tecken. När en elektron kolliderar med en positron kan de spridas från varandra eller förintas helt och hållet, vilket ger upphov till ett par (eller flera) gammastrålsfoton.

 
Niels Bohrs modell av atomen. Tre elektronskal runt en kärna, där en elektron rör sig från den andra till den första nivån och avger en foton.  

Frågor och svar

Fråga: Vad är en elektron?

F: Vem upptäckte elektronen?

F: Hur mycket massa har en elektron?

F: Vilken typ av växelverkan deltar elektroner i?

F: Hur interagerar elektroner med varandra?

Fråga: Vad driver tv-apparater, motorer, mobiltelefoner och många andra saker?

Sök med bokstav