elektron

elektron (elektro- + [i]on) (znak e^–), negativno nabijena, stabilna subatomska čestica, uz proton i neutron jedna od sastavnih čestica atoma. Pripada fermionima i leptonima, najlakši je od tri otkrivena električki nabijena leptona. Svojstva su elektrona: masa, m_e = 9,109 383 · 10^–31 kg = 5,485 799 u, što je ekvivalentno energiji od 0,510 999 MeV/c²; elementarni električni naboj, e = –1,602 176 634 · 10^–19 C; spin, s = h/4πc; magnetski moment μ = eh/4 π m_ec gdje je h Planckova konstanta. Valna duljina elektrona zadana de Broglievom relacijom λ = h/m_ev gdje je v brzina elektrona. Najčešće se elektroni oslobađaju iz atoma, molekula ili kristalne rešetke obasjavanjem svjetlošću, izlaganjem rendgenskomu zračenju ili elektronima, zagrijavanjem na visoke temperature i sl. Atomske jezgre izbacuju elektrone u obliku beta-zračenja (→ radioaktivnost); elektroni nastaju i u nizu procesa među elementarnim česticama. Antičestica elektronu je pozitron. Par elektron-pozitron nastaje u sudaru visokoenergijskoga gama-kvanta (energije iznad 1 MeV) i tvari.

Povijest istraživanja

Elektron je prva otkrivena subatomska čestica. Kako bi objasnili Faradayev zakon elektrolize i atomsku strukturu materije, George Johnstone Stoney i Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholtz pretpostavili su (1881) da se elektricitet pojavljuje samo u višekratnicima osnovnog iznosa. Godine 1891. Stoney je predložio naziv elektron za osnovni iznos električnoga naboja. Poslije se taj naziv počeo primjenjivati za čestice u katodnom zračenju, tj. za čestice atomskog omotača. Katodno zračenje čine snopovi iz katode izbačenih atomskih elektrona u katodnoj cijevi. Otkrio ga je Julius Plücker 1858., ali je definitivna spoznaja da su to snopovi nabijenih čestica uslijedila tek potkraj XIX. st. Otklanjanje katodnog zračenja u magnetskom polju (William Crookes, Jean Perrin) dalo je indikacije da ga čine negativno nabijene čestice. Godine 1896. Hendrik Antoon Lorentz je objašnjavao cijepanje spektralnih linija u magnetskom polju (→ zeemanov efekt) pretpostavkom o elektronu kao sastavnom dijelu atoma. Pokusi Josepha Johna Thomsona pokazali su da je specifični električni naboj (e/m) čestica u katodnom zračenju neovisan o materijalu katode i o načinu na koji su čestice izbačene; i da je masa elektrona oko 1/1840 dio mase vodikova atoma. Thomsonovi radovi i zaključak da je elektron sastavna čestica svih atoma smatraju se otkrićem elektrona (1897). Točan iznos elementarnoga električnog naboja elektrona izmjerio je Robert Andrews Millikan (1909). James Clerk Maxwell u svojoj je teoriji elektromagnetizma otkrio da je elektromagnetsko polje tromo. Na osnovi te teorije Lorentz je 1895. elektron zamislio kao kuglicu u kojoj je električni naboj, a okružena je električnim poljem ukupne energije E. Na osnovi Einsteinove relacije E = mc², pretpostavivši dakle da je tromost (masa) elektrona posljedica tromosti njegova električnog polja, Lorentz je izračunao (tzv. »klasični«) polumjer elektrona r = ke²/m_ec² = 2,82 · 10^–15 m, gdje je k Coulombova konstanta koja iznosi 8,988 · 10⁹ kg m² s⁻² C⁻². Rutherford je otkrio atomsku jezgru (1911), Niels Bohr (1913) je postavljanjem kvantnih uvjeta za gibanje elektrona objasnio stabilnost i jednakost atoma i optičke spektre.

Kvantna mehanika (Louis Victor de Broglie 1924., Werner Karl Heisenberg, Erwin Schrödinger 1925) pronalazi novo svojstvo elektrona: valno gibanje, koje potvrđuje difrakcija elektrona na kristalnoj rešetki. Elektron se ponaša kao val (→ dualizam), kojemu je valna duljina određena de Broglieovom relacijom λ = h/m_ev i kao mali zvrk sa spinom h/4π i magnetskim momentom eh/4πm_ec (George Eugene Uhlenbeck 1925) te da se u višeatomskim sustavima elektroni raspoređuju u dozvoljena kvantna stanja samo po jedan u pojedino stanje. (→ paulijevo načelo)

Relativistička kvantna mehanika (Paul Adrien Maurice Dirac, 1928) donosi Diracovo otkriće simetrije s obzirom na izmjenu električnoga naboja čestice. Dirac pretpostavlja postojanje pozitrona (pozitivno nabijenog elektrona, tj. antielektrona). Carl David Anderson je otkrio 1932. pozitrone u kozmičkom zračenju. Primjenjujući kvantne zakone na elektromagnetsko polje Wolfgang Pauli postavio je (1928) Paulijevo načelo, tvrdnju da se svaki elektron u atomu nalazi u drugome kvantnom stanju. Mjerenje pomaka dvaju stanja u vodiku, tzv. Lambova pomaka (Willis Eugene Lamb 1947), i precizno mjerenje magnetskoga momenta elektrona (Polykarp Kusch i Henry Foley 1947) utvrdili su malo (0,12%) odstupanje od Diracove teorije. Moderna mjerenja magnetizma elektrona najpreciznija su mjerenja uopće. Nobelova nagrada za fiziku za godinu 1989. dodijeljena je Hansu Georgu Dehmeltu za mjerenje magnetizma elektrona s točnošću od dvanaest znamenki.

Kvantna elektrodinamika objasnila je npr. proizvodnju parova elektron-pozitron s pomoću fotona veće energije i Comptonov efekt.

Emisija elektrona

Emisija elektrona oslobađanje je elektrona iz metalnih (i nekih drugih) elektroda. Izlazak slobodnih elektrona iz metala sprječava energijska barijera (površinska struktura koja elektronima onemogućava prijelaz bez utroška određene energije). Elektron može izaći iz površine elektrode tek kada njegova energija postane veća od izlaznoga rada (energija koju elektron mora utrošiti kako bi izišao iz metala) što se postiže zagrijavanjem, obasjavanjem i dr.

Termionska (termoionska) emisija postiže se grijanjem (žarenjem) elektrode (katode). Za tu su emisiju, koja se primjenjuje u elektronskim cijevima, osobito prikladni materijali volfram, torij, barij, ponekad pokriveni oksidima.

Fotoelektrična emisija nastaje kada fotoni svjetlosti koja pada na površinu elektrode (fotokatode) predaju svoju energiju elektronima i time omoguće njihov izlazak. Slično djeluju i druga zračenja. (→ fotoelektrični efekt)

Sekundarna emisija nastaje kada se energija iona, nestabilnih atoma ili ubrzanih elektrona (energije 10 do 20 eV) prenese na elektrone metalnih elektroda, koji nakon ulijetanja tih čestica na elektrodu izlaze u većem broju iz nje.

Emisija električnim poljem nastupa kada na hladnu elektrodu djeluje vanjsko električno polje velike jakosti. U tom slučaju elektroni kroz energijsku barijeru prolaze tuneliranjem. Oštri bridovi i šiljci pomažu takvu emisiju.