elektron

Elektroner er negativt ladde elementærpartikler som kretser rundt atomkjernen. Kjernen inneholder protoner og nøytroner, og disse er igjen bygd opp av kvarker.

Atom
Av .
Et elektron er en elementærpartikkel som har både elektrisk ladning og en kvantemekanisk egenskap som kalles spinn. Spinnet er knyttet til elektronets magnetiske oppførsel.
Elektroner har ladning og spinn.
Lisens: CC BY SA 3.0

Et elektron er en elementærpartikkel som forekommer i alt kjent stoff. Elektronene befinner seg i en sky rundt kjernen av atomet. De har negativ elektrisk ladning og spiller en sentral rolle i mange områder av fysikken.

Faktaboks

Uttale
elektrˈon
Etymologi
av elektrisitet og gresk for ‘det som lager’

Elektroner danner også grunnlaget for utallige praktiske applikasjoner, blant annet innenfor kommunikasjon, belysning og datateknologi, i form av at de muliggjør elektriske strømmer.

Egenskaper

Elektronet har masse me = 9,109 383 7015(28) · 10−31 kg (tall på standardform). Dette er omtrent 1/1837 av hydrogenatomets masse. Elektronet er den letteste elektrisk ladede partikkel man kjenner til.

Ladningen til elektronet er −1,602 176 634 · 10−19 coulomb. Størrelsen av denne ladningen kalles elementærladningen, forkortet e, fordi alle ladninger som opptrer i naturen, positive som negative, er lik e multiplisert med et helt positivt eller negativt tall. I naturen finnes det riktignok partikler med ladning −1/3 og 2/3 av e, de såkalte kvarkene, som for eksempel protonet og nøytronet er bygd opp av. Kvarkene kan, i motsetning til elektroner, ikke forekomme som frie partikler.

Ved konvensjon er elektronets ladning tilfeldigvis blitt kalt negativ, noe som på mange måter virker uheldig, da de fleste elektriske fenomener skyldes bevegelse av elektroner. Således svarer et elektronoverskudd i et legeme til at det er negativt ladet, og en elektrisk strøm skyldes elektroner som beveger seg mot strømretningen. Å forandre den konvensjonelle betegnelsen nå vil være så problematisk i praksis at det må ansees som umulig.

Elektroner har også en kvantemekanisk egenskap kalt spinn. Dette er en intern dreieimpuls med størrelse i nærheten av Plancks reduserte konstant som er knyttet til elektronets magnetiske egenskaper.

Elektronet er en stabil partikkel som inngår i alt vanlig stoff. Elektronskyen omkring atomkjernen fyller det vesentlige av atomet, idet kjernens volum bare er cirka 10–12 av hele atomets. Elektronskyen bestemmer stoffenes kjemiske, og i alt vesentlig også deres fysiske egenskaper. Kjennskap til et stoffs struktur vil derfor si kjennskap til elektrontilstandene i stoffet, og forståelsen av elektronets natur har vært av enorm betydning for den elektroniske og elektrotekniske utviklingen i nyere tid.

Historikk

Bildet viser den tilsvarende apparaturen som ble brukt i Millikans eksperiment med oljedråper: en lyskilde, et kammer med metalliske plater og et mikroskop.

Antakelsen om en minste elektrisk ladning, et «elektrisitetsatom», kan føres tilbake til Michael Faraday. Etter hans lover for elektrolyse vil det alltid være et bestemt forhold mellom det antall mol som utskilles og den strømmen som har gått gjennom elektrolytten. Dette svarer til at hvert molekyl eller atom fører med seg en bestemt ladningsmengde som er den samme for alle molekyler.

George Johnstone Stoney innførte i 1891 betegnelsen elektron på den elektrisitetsmengden 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 påvist katodestrålene som bærere av negativ ladning, og i 1897 lyktes det Joseph John Thomson å bestemme forholdet e/m (m er masse) 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 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 (se bilde) gav en verdi for ladningen som gjennom 20 år ble ansett som den mest nøyaktige. En forskjell i forholdet e/m for partikler med forskjellig energi fikk sin naturlige forklaring i Albert Einsteins relativitetsteori, der det er vist at massen av en partikkel øker med økende energi.

Modeller

Illustrasjon som både viser Bohrs atommodell med deterministiske elektronbaner (de lyserøde ringene) rundt atomkjernen, samt den moderne kvantemekaniske forståelsen av hvor elektronene befinner seg i en sky (den røde «tåken») rundt atomkjernen.
Av .
Lisens: CC0 1.0
Ved at to intense laserstråler kolliderer, er det i prinsippet mulig å skape et elektron-positron plasma. Laserstrålene illustreres med de blå og regnbuefargede pilene. Elektroner, positroner og fotoner skapt i prosessen har rød, grønn og gul farge.

Opprinnelig forestilte man seg elektronet som en skarpt avgrenset kule med en jevn ladningsfordeling, og man kunne av verdiene for e og m bestemme radien for en slik kule, den klassiske elektronradius = 2,8·10−15 meter, eller omtrent 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, se bilde.

I 1925 forklarte George Uhlenbeck og Samuel Abraham Goudsmit visse forhold i atomspektrenes finstruktur ved å anta at elektronet hadde et spinn eller en egenrotasjon, og som følge av dette også et magnetisk moment. Spinnets verdi langs en bestemt retning var ½ℏ (ℏ, Plancks konstant dividert med 2π), men det magnetiske momentet viste seg å være dobbelt så stort som denne verdien tilsa ut fra klassiske betraktninger. Etter at Louis Victor de Broglie i 1924 hadde fremsatt sin teori om materiebølger, viste Clinton Joseph Davisson og Lester Halbert Germer i 1927 at elektronet hadde bølgenatur.

Året etter fremsatte Paul Adrien Maurice Dirac en helt ny teori, den relativistiske bølgeligningen, for beskrivelsen av elektronet. Det klassiske bildet, en ladd kule, ble forlatt. Isteden beskrives elektronet ved en bølgefunksjon som angir sannsynligheten for å finne det 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 brukbar beskrivelse også når elektronet beveger seg med store (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. Diracs likning har løsninger med både positiv og negativ energi. Løsningene for negativ energi var problematiske, men man fant at disse løsningene kunne omtolkes på en slik måte at de var relatert til elektronets antipartikkel, positronet.

Carl David Anderson påviste i 1932 eksperimentelt eksistensen av slike positive elektroner, positroner, noe som sterkt støttet Diracs teori. Også de kjente formene for dannelse og tilintetgjørelse av elektron–positron-par, pardannelse og annihilasjon, er i overensstemmelse med Diracs teori. I elementærpartikkelfysikken brukes nå Diracs ligning til å beskrive alle fundamentale fermioner. Bildet viser et eksempel på hvordan elektroner og positroner kan skapes.

Som oftest brukes elektron som betegnelse på de negative partiklene, men til dels også som fellesbetegnelse på disse og positronene. Også betegnelsene negaton og positon har vært brukt. Elektronet hører hjemme i en gruppe av elementærpartikler som kalles leptoner (se også elementærpartikkel).

Teknologisk anvendelse

Elektroner er en sentral komponent i mye av den teknologien som danner grunnlaget for vårt moderne samfunn. Når elektroner er i bevegelse utgjør de en elektrisk strøm siden de bærer med seg elektrisk ladning. Denne egenskapen benyttes i utallige anvendelser innenfor områder som datateknologi, kommunikasjonsteknologi, belysning og transport.

I senere år har forskningsfeltet spinntronikk vokst frem hvor man prøver å benytte elektronets spinn, i stedet for dets ladning, innen teknologi.

Les mer i Store norske leksikon

Kommentarer

Kommentaren din publiseres her. Fagansvarlig eller redaktør svarer når de kan.

Du må være logget inn for å kommentere.

eller registrer deg