Elektrón

O iných významoch výrazu Elektrón pozri Elektrón (rozlišovacia stránka).

Odhad hustoty elektrónov v obale atómu vodíka

Elektrón je elementárna častica v obale atómu s jednotkovým záporným nábojom. Je 1 836-krát ľahší ako protón a približne 1 839-krát ľahší ako neutrón. Hmotnosť elektrónu je 9,1093826×10⁻³¹ kg.

Úvod

Slovo elektrón bolo prvýkrát použité v roku 1891 írskym fyzikom Georgeom Johnstonom Stoneym a je odvodené zo spojenia elektrická sila. Pôvodom pochádza z gréckeho slova ηλεκτρόνιο znamenajúceho jantár. Joseph John Thomson sa považuje za prvého fyzika, ktorý určil pomer jeho náboja a hmotnosti a považuje sa za objaviteľa elektrónu.

Vnútri atómu elektróny obklopujú v elektrónovej konfigurácii jadro pozostávajúce z protónov a neutrónov. Zmeny v elektrickom poli spôsobené rozdielnym počtom elektrónov a ich rozdielnou konfiguráciou určujú chemické vlastnosti prvkov. Tieto polia hrajú základnú úlohu v chemických väzbách v chémii.

Elektróny v pohybe vytvárajú elektrický prúd a magnetické pole. Niektoré druhy elektrických prúdov nazývame elektrina.

Naše chápanie v správaní sa elektrónov bolo značne upravené počas minulého storočia, pričom najväčšie pokroky sa dosiahli rozvinutím kvantovej mechaniky, ktorá priniesla myšlienku vlnovo-časticovej povahy, teda javu, pri ktorom elektróny vykazujú tak vlnové, ako aj časticové vlastnosti. Nemenej dôležité boli pokroky v poznatkoch, ako elektróny interagujú s inými časticami v fyzike častíc.

Klasifikácia

Elektrón patrí do jednej triedy subatómových častíc nazývaných leptóny, o ktorých si myslíme, že sú základné (čiže sa nedajú rozbiť do menších častíc).

Podobne ako ostatné častice, aj elektróny sa môžu správať ako vlny. Tento jav nazývame vlnovo-časticová dualita (alebo komplementarita podľa Nielsa Bohra), ktorý môžeme demonštrovať na dvojštrbinovom experimente.

Antičastica elektrónu sa nazýva pozitrón a má rovnakú hmotnosť, ale kladný elektrický náboj. Objaviteľ pozitrónu Carl David Anderson navrhol premenovať štandardný elektrón na negatrón a slovom elektrón nazvať obidve častice, s kladným i záporným nábojom. Táto myšlienka sa však nikdy neuchytila.

Vlastnosti a správanie

Elektróny majú negatívny elektrický náboj veľkosti −1,6022 × 10⁻¹⁹ coulombov, hmotnosť 9,11 × 10⁻³¹ kg založenú na náboj/hmotnosť experimentoch a relativistickú pokojovú hmotnosť okolo 0,511 MeV/c². Hmotnosť elektrónu je približne ¹/₁₈₃₆ hmotnosti protónu. Bežný symbol pre elektrón je e⁻..Všetky tieto číselné veličiny museli byť zistené experimentálne (tzv. problém „fine-tuned universe“) a stále nemáme teóriu, ktorá by vysvetľovala prečo sú práve takéto – snažia sa o to:superstruny, inteligentný dizajn a multiverzum.

Podľa teórie kvantovej mechaniky sa dajú elektróny reprezentovať vlnovými funkciami, z ktorých sa dá vypočítať pravdepodobnostná elektrónová hustota. Orbital každého elektrónu môžeme popísať vlnovou funkciou. Na základe Heisenbergovho princípu neurčitosti sa nedá presne určiť naraz aktuálnu rýchlosť a poloha elektrónu. Toto obmedzenie nám teda hovorí, že čím presnejšie poznáme polohu častice, tým sú naše poznatky o jej rýchlosti menej presné a naopak.

Elektrón má spin ½ a je fermiónom (správa sa podľa Fermiho-Diracovej štatistiky). Okrem bežnej uhlovej rýchlosti má elektrón vnútorný magnetický moment podľa jeho spinovej osi.

Elektróny v atóme sú v ňom viazané; o elektrónoch, ktoré sa voľne pohybujú vo vákuu, vesmíre alebo v určitom médiu, hovoríme ako voľných a dajú sa sústrediť do elektrónového lúča. Pri pohybe elektrónov vzniká tok náboja, ktorý nazývame elektrický prúd. Skutočná rýchlosť elektrónov v kovových kábloch je rádu niekoľkých mm za hodinu, hoci rýchlosť, za ktorú prúd na jednom konci kábla spôsobí prúd na druhom konci je zvyčajne 75% rýchlosti svetla.

V niektorých supravodičoch sa páry elektrónov pohybujú ako Cooperove páry, ktorých pohyb je zviazaný s hmotou okolo cez vibrácie mriežky nazývané fonóny. Vzdialenosť medzi Cooperovými pármi je približne 100 nm. (Rohlf, J.W.)

Teleso má elektrický náboj, keď má viac alebo menej elektrónov, ako počet, ktorý je potrebný na vyváženie kladného náboja jadra. O telese s prebytkom elektrónov hovoríme, že je záporne nabité. V opačnom prípade, keď elektrónov je menej ako protónov, hovoríme, že teleso je kladne nabité. Keď je počet elektrónov a protónov rovnaký, teleso nazývame elektricky (elektro-) neutrálny. Makroskopické teleso sa môže nabiť trením (triboelektrický efekt).

Keď sa elektrón zrazí s pozitrónom, navzájom sa anihilujú a vznikne z nich vysokoenergetický fotón alebo iné častice. Naopak, vysokoenergetické fotóny sa môžu zmeniť na elektrón a pozitrón procesom nazývaným párová produkcia, ale len v prítomnosti nabitej častice, napr. pri jadre.

Elektrón v súčasnosti popisujeme ako základnú časticu, čo znamená, že nemá žiadnu podštruktúru (prinajmenšom ju zatiaľ žiadne experimenty nepotvrdili). Často sa preto o ňom uvažuje ako bodovom náboji bez priestorových rozmerov.

Klasický elektrónový polomer je 2,8179 × 10⁻¹⁵ m. Tento polomer je odvodený z elektrického náboja použitím čistej klasickej teórie elektrodynamiky, ignorujúc kvantovú mechaniku. Klasická elektrodynamika (Maxwellova elektrodynamika) je starší koncept, ktorý sa bežne používa pri praktických aplikáciach elektromagnetizmu, v technike a polovodičovej fyzike; kvantová elektrodynamika je naopak užitočná v modernej časticovej fyzike a pri niektorých aspektoch optickej, laserovej a kvantovej fyzike.

Podľa súčasnej teórie, rýchlosť elektrónu sa môže priblížiť, ale nikdy nemôže dosiahnuť c (rýchlosť svetla vo vákuu). Toto obmedzenie je dané Einsteinovou teóriou špeciálnej relativity, ktorá definuje rýchlosť svetla ako univerzálnu konštantu vo všetkých referenčných sústavách. Ale, keď relativistické elektróny sú vnesené do nevodivého média, akým je napríklad voda, kde lokálna rýchlosť svetla je oveľa menšia ako c, elektróny naberú (dočasne) vyššiu rýchlosť ako svetlo. Počas interakcie s médiom produkujú slabé modrasté svetlo, tzv. Čerenkovovo žiarenie.

Efekty špeciálnej teórie relativity sú založené na vlastnosti známej ako γ alebo Lorentzov faktor. γ je funkcia v, rýchlosti častice a c. Definujeme ju ako

$\gamma =1/{\sqrt {1-(v^{2}/c^{2})}}$

Energia potrebná na zrýchlenie častice je (γ – 1) krát pokojová hmotnosť. Napríklad lineárny akcelerátor vo Stanforde dokáže urýchliť elektrón na približne 51 GeV, čo dáva γ 100 000, keďže pokojová hmotnosť elektrónu je 0,51 MeV/c² (relativistická hmotnosť tohto elektrónu je 100 000-krát väčšia ako jeho pokojová hmotnosť). Vyriešením rovnice vyššie na rýchlosť elektrónu (a použitím aproximácie pre veľké γ) dá

$v=\left(1-{\frac {1}{2}}\gamma ^{-2}\right)c=0,999\,999\,999\,95\,c.$

Iné projekty

Wikicitáty

Commons

Wikislovník

• Wikicitáty ponúkajú citáty od alebo o Elektrón
• Commons ponúka multimediálne súbory na tému Elektrón
• Wikislovník ponúka heslo Elektrón

Fyzikálny portál Chemický portál