Elektronas yra labai maža materijos ir energijos dalelė. Jo simbolis yra e− . Jį 1897 m. atrado J. J. Thomsonas.

Elektronas yra subatominė dalelė. Manoma, kad jis yra elementarioji dalelė, nes negali būti suskaidytas į mažesnes daleles. Jis turi neigiamą krūvį ir gali judėti beveik šviesos greičiu.

Elektronai dalyvauja gravitacinėje, elektromagnetinėje ir silpnojoje sąveikose. Elektra, kuria maitinami televizoriai, varikliai, mobilieji telefonai ir daugelis kitų daiktų, iš tikrųjų yra daugybė elektronų, judančių laidais ar kitais laidininkais.

Savybės ir pagrindiniai parametrai

Keletas svarbiausių elektronų fizikinių savybių:

  • Krūvis: −1,602176634×10−19 kulonų (C).
  • Masė: apie 9,10938356×10−31 kg (poilsio masė). Tai atitinka energiją ~0,511 MeV pagal E=mc2.
  • Spinas: 1/2 — elektronas yra fermionas ir paklūsta Pauli išskyrimo principui.
  • Leptonų skaičius: elektronas yra leptonas; jo antipartikulė yra pozitronas (e+).
  • Struktūra: iki šiol elektronas laikomas taškine, neturinčia žinomos vidinės sandaros (elementarioji dalelė).

Elektrono vaidmuo atomuose ir cheminėse reakcijose

Elektronai užima atomo apvalkalus ir orbitinius būsenas, todėl lemia chemines savybes ir ryšius tarp atomų. Elektronų pasidalijimas, perėjimai tarp energetinių lygių ir elektronų praradimas arba priėmimas formuoja jonus bei chemines jungtis. Kvantinė mechanika aprašo elektronų būsenas atomo orbitalėmis — tai tikimybės pasiskirstymai, kur galima rasti elektroną.

Kvantinės savybės ir banginė prigimtis

Elektronai turi dvilypę prigimtį: jie elgiasi tiek kaip dalelės, tiek kaip bangos. Tai matyti iš de Broglie banginės ilgio formulės (λ = h/p) ir elektronų difrakcijos eksperimentų. Elektronų elgesį atomuose ir medžiagose aprašo kvantinė teorija: Schrödingerio arba Diraco lygtys ir Fermi–Dirac statistika daugeliui elektronų sistemų.

Elektronai medžiagoje ir elektros srovė

Metaluose laisvieji elektronai sudaro „Fermi jūrą“ ir yra pagrindiniai elektros laidininkai. Elektros srovė – tai elektronų masės nukreipta judėjimo forma laidininkuose; nors atskirų elektronų drifto greitis yra palyginti mažas, elektrinis signalas sklinda beveik šviesos greičiu per elektros lauką. Puslaidininkiuose elektronų skaičių ir judrumą lemia dopinimas bei energetinės juostos (valentinė ir laidumo juosta), o tai yra pagrindas tranzistoriams, diodams ir kitai mikroelektronikai.

Praktiniai pritaikymai

  • Elektronika: tranzistoriai, integrinės grandinės, mikroprocesoriai.
  • Optoelektronika: LED, lazeriai, fotodetektoriai (elektronų perėjimai su spinduliavimo arba absorbcijos emisija).
  • Vakuuminės lempas ir CRT: ankstyvosios vaizdo ir radijo technologijos naudojo elektronų sroves vakuume.
  • Elektronų mikroskopija: transmisinė ir skenuojanti elektronų mikroskopija (TEM, SEM) leidžia vaizduoti struktūras žymiai mažesnes nei optinis ribojimas.
  • Skeneriai ir lithografija: elektronų spinduliai naudojami puslaidininkių gamyboje ir medžiagų apdorojime.
  • Medicininės taikomosios sritys: elektronų spinduliai naudojami radioterapijoje kai kurių vėžio gydymui; aukštos energijos elektronai taip pat gamina rentgeno spindulius (bremsstrahlung).
  • Moksliniai prietaisai: dalelių greitintuvai, detektoriai ir spektrometrai tiriant materijos struktūrą.

Istorija ir matavimai

Elektrono egzistavimą ir savybes pirmą kartą identifikavo J. J. Thomsonas 1897 m. per katodinių spindulių tyrimus, o vėliau R. A. Millikanas atliko žinomą aliejaus lašelio eksperimentą, kuriuo 1910–1913 m. tiksliai nustatė elektrono krūvį. Šie eksperimentai padėjo suformuoti moderniosios atomistikos ir teorinės fizikos pagrindus.

Sąveikos su kitomis jėgomis ir sauga

Nors elektronai dalyvauja gravitacinėje, elektromagnetinėje ir silpnojoje sąveikose, jų poveikis per gravitaciją yra beveik nepastebimas dėl mažos masės; stipriausia įtaka yra elektromagnetinė. Didelės energijos elektronai gali jonizuoti atomus ir pažeisti audinius, todėl dirbant su intensyviais elektronų šaltiniais reikalinga apsauga ir atitinkamos saugos priemonės.

Santrauka

Elektronas yra fundamentali dalelė, esminė tiek mikroskopinėms atomų savybėms, tiek kasdieniams technologiniams sprendimams. Jo charakteristika — neigiamas krūvis, labai maža masė, pusiau visuotinis vaidmuo elektroninėse sąveikose ir kvantinė prigimtis — daro jį kertiniu fizikinių ir inžinerinių procesų elementu.