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. av Jacob Linder. CC BY SA 3.0

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.

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

Elektronet har masse me = 9,1091 · 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 −1,60219·10−19 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 for 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 ca. 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.

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.

G. J. Stoney innførte i 1891 betegnelsen elektron på den elektrisitetsmengden som ble båret av et enverdig atom i en elektrolytt. I 1895 fremsatte Hendrik A. Lorentz en teori hvor han brukte betegnelsen elektron på kildene for de elektriske kraftlinjenei et elektromagnetisk felt.

I forsøk med gassutladninger hadde man tidligere påvist katodestrålene som bærere av negativ ladning, og i 1897 lyktes det Joseph J. 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.

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.

Visualisering av elektronenes posisjon i et atom av Gerd Altmann. CC0 1.0

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 (1913), se bilde.

I 1925 forklarte George Uhlenbeck og Samuel A. 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 de Broglie i 1924 hadde fremsatt sin teori om materiebølger, viste Clinton J. Davisson og L.H. Germer (1927) at elektronet hadde bølgenatur.

Året etter fremsatte Paul 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 D. 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).

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, istedet for dets ladning, innen teknologi.

Foreslå endringer i tekst

Foreslå bilder til artikkelen

Kommentarer

Har du spørsmål om eller kommentarer til artikkelen?

Kommentaren din vil bli publisert under artikkelen, og fagansvarlig eller redaktør vil svare når de har mulighet.

Du må være logget inn for å kommentere.