Electron

(Orbitalii atomului de hidrogen la diferite niveluri de energie. Zonele mai luminoase sunt acolo unde este cel mai probabil să se găsească un electron la un moment dat.)

Compoziție: Particule elementare
Statistici: Fermionice
Generație: Primar
Interacțiuni: gravitatea, electromagnetică, slabă
Simbol: e^–, β^–
Antiparticule: Positron (numit și antielectron)
Teoretizat: Richard Laming (1838-1851), G. Johnstone Stoney (1874) și alții.
Descoperit: J. J. Thomson (1897)
Masa: 9,10938356(11)×10^-31 kg, 5,48579909070(16)×10^-4 u, [1822,8884845(14)]^-1 u, 0,5109989461(31) MeV/c²
Durata medie de viață: stabilă ( > 6,6 × 10²⁸ ani)
Încărcarea electrică: -1 e, -1.6021766208(98)×10^-19 C, -4.80320451(10)×10^-10 esu
Moment magnetic: -1.00115965218091(26) μB
Spin: 1/2
Isospin scăzut: LH: -1/2, RH: 0
Hipersarcină slabă: LH: -1, RH: -2

Electronul este o particulă subatomică, simbol e^– sau β^–, a cărui sarcină electrică este negativă cu o sarcină elementară. Electronii aparțin primei generații a familiei de particule leptoni și sunt considerate, în general, particule elementare, deoarece nu au componente sau substructuri cunoscute. Electronul are o masă de aproximativ 1/1836 din cea a protonului. Proprietățile mecanice cuantice ale electronului includ un impuls intrinsec unghiular (spin) cu o valoare de 1/2, exprimată în unități de constantă Planck redusă, ħ. Deoarece este un fermion, doi electroni nu pot ocupa aceeași stare cuantică, în conformitate cu principiul excluziunii Pauli. Ca toate particulele elementare, electronii prezintă proprietăți atât ale particulelor, cât și ale undelor: se pot ciocni cu alte particule și pot fi difracționate ca lumina. Proprietățile undelor electronilor sunt mai ușor de observat prin experimente decât cele ale altor particule, cum ar fi neutronii și protonii, deoarece electronii au o masă mai mică și, prin urmare, o lungime de undă mai lungă de Broglie pentru o anumită energie.

Electronii joacă un rol esențial în numeroase fenomene fizice, cum ar fi electricitatea, magnetismul, chimia și conductivitatea termică și participă, de asemenea, la interacțiuni gravitaționale, electromagnetice și slabe. Deoarece un electron are sarcină, are un câmp electric înconjurător, iar dacă acest electron se mișcă în raport cu un observator, acesta va genera un câmp magnetic. Câmpurile electromagnetice produse din alte surse vor afecta mișcarea unui electron în conformitate cu legea forței Lorentz. Electronii radiază sau absorb energia sub formă de fotoni atunci când sunt accelerați. Instrumentele de laborator sunt capabile să capteze electroni individuali, precum și plasmă electronică, prin utilizarea câmpurilor electromagnetice. Telescoapele speciale pot detecta plasmă electronică în spațiul cosmic. Electronii sunt implicați în numeroase aplicații, cum ar fi electronice, sudare, tuburi catodice, microscoape electronice, radioterapie, lasere, detectoare de ionizare gazoasă și acceleratoare de particule.

Interacțiunile care implică electroni cu alte particule subatomice sunt de interes în domenii precum chimia și fizica nucleară. Interacțiunea forței Coulomb între protonii pozitivi din nucleele atomice și electronii negativi din exteriorul nucleului permite unirea acestora în atomi. Ionizarea sau diferențele în proporția electronilor negativi față de nucleele pozitive modifică energia de legare a unui sistem atomic. Schimbul sau partajarea electronilor între doi sau mai mulți atomi este cauza principală a legăturilor chimice. În 1838, filosoful natural britanic Richard Laming a emis mai întâi ipoteza conceptului unei cantități indivizibile de sarcină electrică pentru a explica proprietățile chimice ale atomilor. Fizicianul irlandez George Johnstone Stoney a numit această cantitate electron în 1891 și J. J. Thomson și echipa sa de fizicieni britanici au identificat-o ca particulă în 1897. Electronii pot participa, de asemenea, la reacții nucleare, cum ar fi nucleosinteza în stele, particule beta. Electronii pot fi creați prin dezintegrare beta a izotopilor radioactivi și prin coliziuni cu energie înaltă, de exemplu atunci când razele cosmice intră în atmosferă. Antiparticula electronului este numită pozitron; este identică cu electronul, cu excepția faptului că poartă sarcini electrice și alte semne opuse. Când un electron se ciocnește cu un positron, ambele particule pot fi complet anihilate, producând fotoni de raze gama.

Clasificare

(Modelul standard al particulelor elementare. Electronul (simbolul e) este în partea stângă.)

În modelul standard al fizicii particulelor, electronii aparțin grupului de particule subatomice numite leptoni, despre care se crede că sunt particule fundamentale sau elementare. Electronii au cea mai mică masă dintre toți leptonii cu sarcină (sau particule încărcate electric de orice tip) și aparțin primei generații de particule fundamentale. Cea de-a doua și a treia generație conțin leptoni cu sarcină, muon și tau, care sunt identici cu electronii în sarcină, spin și interacțiuni, dar sunt mai masive. Leptonii diferă de celălalt constituent de bază al materiei, cuarcul, prin lipsa interacțiunii puternice. Toți membrii grupului leptoni sunt fermioni, pentru că toți au spin impar 1/2; electronul are spin 1/2.

Proprietăți fundamentale

Masa invariantă a unui electron este de aproximativ 9,109×10^-31 kilograme sau 5,489×10^-4 unități de masă atomică. Pe baza principiului Einstein de echivalență masă-energie, această masă corespunde unei energii de repaus de 0,511 MeV. Raportul dintre masa unui proton și cel al unui electron este de aproximativ 1836. Măsurătorile astronomice arată că raportul de masă proton-electron a păstrat aceeași valoare, după cum este prevăzut de modelul standard, pentru cel puțin jumătate din vârsta Universul.

Electronii au o sarcină electrică de -1,602×10^-19 coulomb, care este folosită ca unitate standard de sarcină pentru particulele subatomice și se numește și sarcină elementară. Această sarcină elementară are o incertitudine standard relativă de 2,2×10^-8. În limitele acurateței experimentale, sarcina electronică este identică cu sarcina unui proton, dar cu semnul opus. Deoarece simbolul e este folosit pentru sarcina elementară, electronul este simbolizat în mod obișnuit prin e^–, unde semnul minus indică sarcina negativă. Pozitronul este simbolizat de e⁺ deoarece are aceleași proprietăți ca electronul, dar cu o sarcină pozitivă mai degrabă decât negativă.

Electronul are un impuls intrinsec unghiular sau spin de 1/2. Această proprietate este de obicei declarată prin referire la electronul ca particulă spin -1/2. Pentru astfel de particule, magnitudinea de spin este (√3/2)ħ. în timp ce rezultatul măsurării unei proiecții a spinului pe orice axă poate fi numai ± ħ/2. În plus față de spin, electronul are un moment magnetic intrinsec de-a lungul axei sale de rotație. Este aproximativ egal cu un magnetonul Bohr, care este o constantă fizică egală cu 9,27400915(23)×10^-24 jouli pe tesla. Orientarea spinului în raport cu impulsul electronului definește proprietatea particulelor elementare cunoscute ca helicitate.

Electronul nu are nicio substructură cunoscută și se presupune că este o particulă punctuală cu o sarcină punctuală și fără o extindere spațială. În fizica clasică, momentul unghiular și momentul magnetic al unui obiect depind de dimensiunile sale fizice. Prin urmare, conceptul unui electron fără dimensiuni care posedă aceste proprietăți contrastează cu observațiile experimentale din capcana Penning, care indică o rază finală non-zero a electronului.

Problema razei electronului este o problemă provocatoare a fizicii teoretice moderne. Admiterea ipotezei unei raze finite a electronului este incompatibilă cu premisele teoriei relativității. Pe de altă parte, un electron asemănător punctului (rază zero) generează dificultăți matematice grave datorită self-energiei electronului care tinde spre infinit.

Observarea unui singur electron într-o capcană Penning sugerează că limita superioară a razei particulelor este de 10^-22 metri. Limita superioară a razei de electroni de 10^-18 metri poate fi derivată utilizând relația de incertitudine în energie.

Există, de asemenea, o constantă fizică numită „raza electronică clasică”, cu o valoare mult mai mare de 2,8179×10^-15 m, mai mare decât raza protonului. Cu toate acestea, terminologia provine dintr-un calcul simplist care ignoră efectele mecanicii cuantice; în realitate, așa-numita rază electronică clasică nu are prea mult de-a face cu structura fundamentală adevărată a electronului.

Există particule elementare care se dezintegrează spontan în particule mai puțin masive. Un exemplu este muonul, cu o durată medie de viață de 2,2×10^-6 secunde, care se descompune într-un electron, un neutrino muon și un antineutrino de electroni. Electronul, pe de altă parte, se consideră stabil pe motive teoretice: electronul este cea mai mică particulă masivă, cu sarcină electrică diferită de zero, astfel încât dezintegrarea ei ar încălca conservarea sarcinii. Limita inferioară experimentală pentru durata medie de viață a electronului este de 6,6×10²⁸ ani, la un nivel de încredere de 90%.