elektron

Den aller viktigste anvendelsen av elektroner er at de skaper elektrisitet. Elektrisitet gjør at man kan bruke for eksempel vaskemaskiner, komfyrer, TV, ulike typer belysning og varmekabler i husholdninger.

Elektroner er sentrale i all data- og kommunikasjonsteknologi. Teknologiske anvendelser som mobiltelefoner og datamaskiner er avhengige av elektroner for å fungere. Disse anvendelsene er bygget opp av mindre enheter som kalles integrerte kretser, som inneholder komponenter som transistorer og dioder. Disse komponentene baserer seg på at man kan styre bevegelsen til elektriske strømmer, som i sin tur gjør at mobiltelefoner og datamaskiner kan utføre bestemte oppgaver.

Mange transportmidler i samfunnet baserer seg primært på elektriske strømmer. Dette inkluderer tog, trikk, elbiler, elsykler og elektriske busser. Elektroner spiller dermed en vesentlig rolle i samfunnets infrastruktur.

I senere år har forskningsfeltet spinntronikk vokst frem hvor man prøver å benytte elektronets spinn, i stedet for dets ladning, innen teknologi. Spinntronikk revolusjonerte harddisk-teknologien på midten av 1990-tallet ved å benytte seg av elektroners kjempemagnetoresistans.

Mikroskoper brukes til å kunne se ting som er for små til at de kan observeres med bare øynene. Vanlige optiske mikroskoper bruker synlig lys til å lage et forstørret bilde av gjenstander. Ved å lage mikroskoper som kan bruke elektroner i stedet for lys, kan man se ting som er enda tusen ganger mindre enn det man kan med optiske mikroskop.

Grunnen til at elektroner kan brukes til å avbilde svært små gjenstander er at elektroner oppfører seg som bølger. Dette forklares med kvantemekanikk. Bølgelengden til elektroner med høy energi er mye mindre enn bølgelengden til synlig lys. Det gjør at elektronmikroskoper gir en langt høyere oppløsning på et forstørret bilde enn det et optisk mikroskop kan klare.

Elektronet er den letteste elektrisk ladde partikkelen man kjenner til. Ladningen til elektronet er −1,602 · 10⁻¹⁹ coulomb (tall på standardform). Dette kalles elementærladningen, som forkortes e. Alle partikler med ladning som kan observeres i naturen har en ladning som er lik e multiplisert med et helt positivt eller negativt tall.

I naturen finnes det riktignok partikler med ladning \(-\frac{1}{3}\) og \(\frac{2}{3}\) av e, de såkalte kvarkene. Men kvarker kan, i motsetning til elektroner, ikke forekomme som frie partikler som kan observeres individuelt.

Elektronets ladning er definert som negativ. Et overskudd av elektroner i en gjenstand betyr dermed at gjenstanden er negativt ladet. Den positive retningen til elektrisk strøm er definert som den retningen positivt ladde partikler beveger seg. Dermed beveger elektronene seg i motsatt retning av det som kalles positiv strømretning.

Elektronet er en stabil partikkel som inngår i alt vanlig stoff. At elektronet er stabilt betyr at det ikke henfaller til andre elementærpartikler.

Elektroner i atomer befinner seg i bestemte energinivåer. Disse energinivåene kan beskrives ved hjelp av kvantemekanikk. Energinivåene er diskrete, som betyr at elektronene i et atom ikke kan ha hvilken som helst verdi for energien. Energinivåene er adskilt fra hverandre, som ribbene på en ribbevegg.

Elektronet har masse m_e = 9,109 · 10⁻³¹ kilo. Dette er mye mindre enn massen til atomkjerner. Et proton, som er atomkjernen i det letteste grunnstoffet, har en masse som er 1836 ganger høyere enn elektronet. Elektronskyen omkring atomkjernen utgjør praktisk talt hele volumet til atomet.

Elektroner har også en kvantemekanisk egenskap kalt spinn. Dette er en intern dreieimpuls med størrelse \(\frac{1}{2} \hbar\), hvor \(\hbar\) er Plancks konstant \(h\) delt på \(2\pi\).

Spinnet til et elektron påvirker energinivåene til elektroner i atomer. Forskjellen mellom disse energinivåene kalles for atomspektrenes finstruktur. I 1925 forklarte George Uhlenbeck og Samuel Abraham Goudsmit flere av forskjellene mellom denne finstrukturen ved å anta nettopp at elektronet har et spinn eller en egenrotasjon.

Siden elektronet har elektrisk ladning, har det som følge av dette også et magnetisk moment. Spinnets verdi langs en bestemt retning er \(\frac{1}{2} \hbar\), men det magnetiske momentet viste seg å være dobbelt så stort som denne verdien tilsa ut fra klassiske betraktninger. Spinnet er dermed knyttet til elektronets magnetiske egenskaper.

Før kvantemekanikk ble utviklet på 1920-tallet, så fysikere for seg elektronet som en skarpt avgrenset kule med en jevn fordeling av elektrisk ladning. Fra verdiene for elektronets ladning og masse kunne man bestemme radien til en slik kule. Denne størrelsen ble kalt den klassiske elektronradius og ble beregnet til å være \(2,8 · 10^{-15}\)meter. Dette tilsvarer omtrent \( \frac{1}{10 000}\) av atomets radius. Denne forestillingen om elektronet, sammen med Ernest Rutherfords oppdagelse av atomkjernen, dannet grunnlag for Niels Bohrs atommodell fra 1913.

Mens det er vanlig å tenke på partikler som små kuler, viser det seg at partikler også kan oppføre seg som bølger. Dette er ett av de viktigste resultatene til kvantemekanisk teori, og betyr at elektroner kan fremvise bølgefenomener slik som interferens.

I 1924 la Louis Victor de Broglie frem sin teori om materiebølger, og i 1927 viste Clinton Joseph Davisson og Lester Halbert Germer at elektronet har bølgenatur ved hjelp av eksperimentelle målinger.

For å kunne forstå bølgeegenskapene til partikler som elektroner, er det nødvendig å ha en matematisk likning som beskriver dette fenomenet. I 1925 fremsatte Paul Adrien Maurice Dirac en slik likning, den relativistiske bølgelikningen, for beskrivelsen av elektronet. Det klassiske bildet av elektronet som en ladd kule ble forlatt. I stedet beskrives elektronet med en bølgefunksjon som gir sannsynligheten for å finne elektronet på et bestemt sted med et bestemt spinn.

I motsetning til de teoriene man tidligere hadde for elektronbevegelsen i et atom, gir Diracs teori en god beskrivelse også når elektronet beveger seg svært fort, med relativistiske hastigheter. Teorien gir også en tilfredsstillende beskrivelse av egenskaper som spinn og magnetisk moment, mens ladning og masse blir betraktet som eksperimentelt fastlagte størrelser.

Antakelsen om at det finnes en minste enhet for elektrisk ladning, kan føres tilbake til Michael Faraday. Ifølge hans lover for elektrolyse vil det alltid være et bestemt forhold mellom massen til stoffet som utskilles og den elektriske strømmen som har gått gjennom elektrolytten. Dette svarer til at hvert molekyl eller atom fører med seg en bestemt mengde ladning, som er den samme for alle molekyler.

Enverdige atomer opptrer i et molekyl eller ion, og er definerte ved at de har ett elektron mer enn atomet har dersom det opptrer alene. Den irske fysikeren George Johnstone Stoney (1826–1911) innførte i 1891 betegnelsen elektron på den mengden elektrisitet som ble båret av et enverdig atom i en elektrolytt.

I 1895 fremsatte Hendrik Antoon Lorentz en teori hvor han brukte betegnelsen elektron på kildene for de elektriske kraftlinjene i et elektromagnetisk felt.

I forsøk med gassutladninger hadde man tidligere vist at katodestråler var bærere av negativ ladning. I 1897 bestemte Joseph John Thomson forholdet \(\frac{e}{m}\) for disse ladningsbærerne, som han kalte strålekorpuskler.

I de følgende årene viste man at det også i en rekke andre prosesser, som termionisk emisjon, fotoelektrisk effekt og radioaktivitet, ble sendt ut negative partikler med omtrent samme verdi for forholdet \(\frac{e}{m}\). Man gikk derfor ut fra at det var samme slags partikler som gjorde seg gjeldende i alle disse fenomenene, og kalte dem for elektroner.

En meget nøyaktig bestemmelse av elektronets ladning ble gjort av Robert Millikan i 1909. Hans oljedråpeforsøk ga en verdi for ladningen som i 20 år ble ansett som den mest nøyaktige. En forskjell i forholdet \(\frac{e}{m}\) for partikler med forskjellig energi fikk sin naturlige forklaring med Albert Einsteins relativitetsteori, der det ble vist at massen av en partikkel øker med økende energi.