Elektron on väga väike aine- ja energiakilluke. Selle sümbol on e− . Selle avastas J. J. Thomson 1897. aastal.

Elektron on subatomaarne osake. Arvatakse, et see on elementaarosakese, sest seda ei saa lagundada millekski väiksemaks. See on negatiivselt laetud ja võib liikuda peaaegu valguse kiirusega.

Elektronid osalevad gravitatsioonilises, elektromagnetilises ja nõrgas vastastikmõjus. Elekter, mis toidab televiisoreid, mootoreid, mobiiltelefone ja paljusid muid asju, on tegelikult paljud elektronid, mis liiguvad läbi juhtmete või muude juhtmete.

Põhiomadused

  • Laeng: elektroni laeng on −e, kus e on elementaarlaengu väärtus 1,602 176 634 × 10−19 C (täpselt määratletud SI ühikutes).
  • Mass ja puhkeenergia: mass on umbes 9,109 × 10−31 kg, mis vastab puhkeenergiale umbes 511 keV.
  • Spinn ja statistika: elektron on fermion spinniga 1/2 ning allub Pauli keeluprintsiibile (kaks elektroni ei saa olla täpselt samas kvantolekus).
  • Osake–laine duaalsus: elektron käitub nii osakese kui ka lainena; selle de Broglie lainepikkus sõltub liikumishulgast ja võimaldab näiteks elektronmikroskoope.
  • Vastastikmõjud: elektron osaleb elektromagnetilises, nõrgas ja gravitatsioonilises vastastikmõjus; tugevas vastastikmõjus ta ei osale.
  • Magnetilised omadused: elektroni spinn ja liikumine tekitavad magnetilise dipoolmomendi, mille loomulik ühik on Bohr’i magneton (≈ 9,274 × 10−24 J/T).
  • Antiosake: elektroni antiosake on positron (e+). Elektroni ja positroni kohtumisel võivad nad anihileeruda ning eraldada gammakvante.

Ajalugu ja mõõtmised

J. J. Thomson näitas 1897. aastal katoodkiirte katsetes, et kiiri kannavad negatiivselt laetud osakesed, ning mõõtis nende laengu ja massi suhtarvu. 1909–1911 mõõtis Robert Millikan õlitilga katsega elektroni laengu, mistõttu koos Thomsoni tulemusega saadi ka mass. Paul Dirac’i teooria (1928) ennustas positroni olemasolu, mille Carl Anderson avastas 1932. aastal kosmilistes kiirtes.

Elektron aatomis ja keemias

Aatomites paiknevad elektronid tuuma ümber kvantsetes orbitaalides. Nad täidavad energiatasemeid kindlate reeglite järgi (kvantarvud ja Pauli keeluprintsiip), mis määrab perioodilisuse ja keemiliste elementide omadused. Keemilised sidemed tekivad, kui aatomid jagavad või loovutavad elektron(e): kovalentne side (elektronide jagamine), iooniline side (elektroni üleminek ühelt aatomilt teisele) ja metalliline side (delokaliseeritud elektronide „elektronmeri” metallvõres).

Kui elektron hüppab ühelt energiatasemelt teisele, neeldub või kiiratakse footon. Sellest tulenevad aatomispektrid, fluoresents ja lasertehnoloogia lähtealused.

Liikumine, vool ja signaalid

  • Elektrivool on laengu siire. Metallides kannavad voolu peamiselt vabad elektronid. Konventsionaalne voolusuun on ajalooliselt määratud vastupidiseks elektronide liikumissuunale.
  • Kiirus: üksikud elektronid juhis liiguvad väikese driftkiirusega (sageli millimeetreid kuni senteimeetreid sekundis), kuid elektrivälja levik ja signaal võivad kanduda juhtmes peaaegu valguse kiirusega.
  • Vaakumis ja kiirendites saab elektrone kiirendada relativistlike kiirusteni (väga lähedale valguse kiirusele), mis võimaldab kiirendeid, röntgenkiirgust ja kiiritusravi.

Elektronid materjalides ja tehnoloogias

  • Metallid, isolaatorid, pooljuhid: juhtivus sõltub sellest, kas ainetes on kättesaadavaid energiatasetega juhtivus-elektrone. Pooljuhtides võimaldavad dopeerimine ja p–n-siirded dioode, transistore, LED-e ja päikesepatareisid.
  • Magnetism: elektronide spinn ja orbitaalne liikumine põhjustavad para-, dia- ja ferromagnetismi; raua, koobalti ja nikli ferromagnetism tuleneb peamiselt elektronspinni korrastumisest.
  • Ülijuhid: madalatel temperatuuridel võivad elektronid moodustada Cooperi paare ja voolata takistuseta.
  • Seadmed ja meetodid: elektronmikroskoopia kasutab elektronlainete lühikest lainepikkust suure lahutusvõime saavutamiseks; elektronkiired olid kasutusel kineskooptelerites ja neid kasutatakse ka keevituses ning litograafias.

Nõrk vastastikmõju ja radioaktiivsus

Nõrk vastastikmõju võimaldab protsesse, kus elektronid tekivad või kaovad. Näited: β−-lagunemine (neutron → prooton + elektron + antineutriino) ning elektronhõive (aatomituum haarab sisemise elektroni). Need protsessid on olulised nii tuumafüüsikas kui ka astrofüüsikas.

Teooria ja täpsus

  • Kvantelektrodünaamika (QED): kirjeldab elektronide ja footonite elektromagnetilist vastastikmõju ning annab ülimalt täpseid ennustusi, näiteks elektroni magnetilise g-teguri kohta.
  • Konstandid: peenstruktuurikonstant α (~1/137) seob laengu tugevuse, valguse kiiruse ja Plancki konstandi; see ilmub paljudes elektroniga seotud nähtustes.

Kokkuvõttes on elektron üks looduse põhiehituskive: ta määrab aatomite keemilised omadused, kannab voolu ja infot tehnoloogiates ning on võtmetähtsusega nii materjaliteaduses, meditsiinis kui ka fundamentaalfüüsikas.