Elektron

          Elektron – trwała cząstka elementarna (lepton) będąca jednym z elementów atomu. Elektron ma ładunek elektryczny równy e = −1,602 176 565(35)×10⁻¹⁹ C i masę spoczynkową m_e≈9,109 382 91×10⁻³¹ kg.

          Obecnie nie wiadomo, czy elektron ma jakąkolwiek strukturę wewnętrzną. Wielokrotnie powtarzane eksperymenty w największych akceleratorach, polegające na zderzaniu ze sobą przeciwbieżnych wiązek elektronów rozpędzonych do prędkości bliskich prędkości światła, nie dały argumentów za istnieniem struktury wewnętrznej. W zderzeniach traktowanych klasycznie elektron zachowuje się jak kulka o promieniu 2,817 940 2894 x 10^-15 m. Doświadczenia z pułapkowaniem elektronów w polu magnetycznym wykazały, że promień elektronu jest mniejszy niż 10⁻²² m.

          Nazwę elektron wprowadził George Johnstone Stoney w 1891, dla elementarnej jednostki elektryczności ujemnej w procesie elektrolizy. Jako cząstka o ładunku ujemnym i niezerowej masie elektron został zaobserwowany w roku 1897 przez J.J. Thomsona. Na podstawie wyników badań właściwości promieniowania katodowego uznał on, że to promieniowanie jest strumieniem cząstek o ładunku ujemnym, emitowanych w rurze próżniowej (lampa elektronowa) przez rozgrzaną katodę. Cząstki te zostały nazwane elektronami.

W 1916 Gilbert Newton Lewis zauważył, że właściwości chemiczne pierwiastków chemicznych wynikają z oddziaływań elektronów zawartych w ich atomach.

          W 1928 roku Paul Adrian Maurice Dirac przewidział istnienie dodatniego elektronu, a w 1932 roku Carl Anderson wykrył doświadczalnie istnienie pozytonu. Paul Dirac wspominał później, jak trudno mu było zaakceptować konsekwencje płynące z  jego równania: istnienie nowej cząstki, pozytonu, którą kilka lat później odkrył Carl Anderson.

          Elektrony w atomach zajmują określony obszar w przestrzeni wokół stosunkowo małego dodatniego jądra. Obszary zajmowane przez elektrony nazywają się orbitalami. Orbitale z kolei zgrupowane są w powłoki elektronowe. Parametry każdego orbitalu (energia, kształt) zdeterminowane są przez energię elektromagnetycznego oddziaływania z jądrem atomu i pozostałymi elektronami oraz parametry elektronu. Rozmiary orbitali atomowych są rzędu 10^–10 m czyli dziesiątej części nanometra, ale dla stanów wzbudzonych mogą być kilkadziesiąt razy większe. Orbitale elektronowe są od 10 do 100 tysięcy razy większe od jądra atomowego, którego średnica wynosi od 10^–15 do 10^–14 m, co odpowiada długości femtometra.

          Obojętny atom ma tyle samo protonów w jądrze (ładunek dodatni) co elektronów (ładunek ujemny). Atom może być zjonizowany w wyniku oderwania od niego elektronu, albo przez przyłączenie elektronu, wtedy liczba protonów jest różna od liczby elektronów. Dostarczenie energii z zewnątrz powoduje wzbudzenie elektronów do wyższych stanów, bądź jonizację atomu (oderwanie elektronu). Zwykle w procesach takich wzbudzane są tylko elektrony z najwyższych powłok zwanych walencyjnymi, jednak promieniowanie o dużej energii wzbudza lub odrywa od atomu elektrony z głębszych powłok. Zachowanie elektronów na powłokach atomowych determinuje własności atomów w reakcjach chemicznych.

          Zjawiska zachodzące z udziałem elektronów zwykle należą do mechaniki kwantowej i jako takie podlegają zasadzie nieoznaczoności Heisenberga. Elektron ma spin 1/2, jest więc zaliczany do fermionów i podlega statystyce Fermiego-Diraca. Wszystkie elektrony są całkowicie nierozróżnialne. Aby całkowicie opisać elektron, wystarczy podać jego stan kwantowy.

Antycząstką elektronu, tj. odpowiadającą elektronowi cząstką antymaterii, jest antyelektron, zwany krócej pozytonem (a często również elektronem dodatnim). Jeżeli spotka się elektron z antyelektronem dochodzi do anihilacji, w wyniku której ginie elektron i pozyton, a powstają dwa fotony promieniowania gamma (γ) o energii 0,511 MeV. Podczas zderzenia fotonu gamma o takiej lub większej energii może zajść zjawisko odwrotne: kwant gamma zostaje pochłonięty, a pojawia się pozyton i elektron.

          Elektron może brać udział w reakcjach jądrowych. Elektron może być emitowany z jądra atomowego – nazywany jest wówczas promieniowaniem beta (β) a przemiana jądrowa rozpad beta minus. Wyemitowane cząstki beta mają bardzo dużą energię i zdolność jonizacji materii. Niektóre jądra atomowe emitują antyelektrony, przemiana ta to rozpad beta plus.

          Jądro atomowe może też pochłonąć elektron, jest to zazwyczaj elektron z najniższej powłoki elektronowej, przemiana taka nazywana jest wychwytem elektronu.

          Intuicyjnie wyczuwam, że rola cząstki (o budowie falowej) zwanej elektronem jest o wiele większa w rozumieniu budowy jądra atomowego. Być może elektron jest budulcem kwarków łącznie z gluonami (nośnik silnych oddziaływań) tworzy proton i neutron.