„Elektron” változatai közötti eltérés

Először [[Richard Laming]] feltételezte 1838-ban az elektromos töltés egy láthatatlan egységét, hogy megmagyarázza az atomok kémiai viselkedését.<ref name="arabatzis"/> [[George Johnstone Stoney]] nevezte el elektronnak ezt az elemi töltésegységet. Az elnevezés a [[görög nyelv|görög]] ''elektron'' szóból származik, amely jelentése [[borostyán (fosszília)|borostyánkő]]. A görögök borostyánkövet dörzsöltek meg más anyaggal, és tapasztalták az elektromos vonzó tulajdonságát. Kísérleti kimutatása [[1897]]-ben [[Joseph John Thomson]]nak sikerült először.<ref name="thomson">

| style="vertical-align:top" | [[Tömeg|Nyugalmi tömeg]]

Az 1700-as évek elején [[Francis Hauksbee]] és a francia [[Charles François de Cisternay du Fay]] egymástól függetlenül felfedezték a dörzsölési elektromosság kétféle típusát. Az egyik az üveg, a másik a gyanta megdörzsölésével hozható létre. Du Fay elmélete szerint itt kétféle elektromos folyadék van, amelyek dörzsöléssel elválaszthatók, és semlegesítik egymást, ha összeérnek.<ref>

}}</ref> Egy évtizeddel később [[Benjamin Franklin]] szerint egyféle folyadék van, kétféle nyomással. Tőle származik a pozitív és a negatív elnevezés is.<ref>

}}</ref> Szerinte a pozitív a töltéshordozó, de nem szólt arról, hogy melyik állapotban van hiány, és melyikben fölösleg.<ref>

}}</ref> Ő Azonban őazonban azt hitte, hogy ez a töltés nem távolítható el az atomból. [[Hermann Ludwig von Helmholtz|Hermann von Helmholtz]] 1881-ben amellett érvelt, hogy a pozitív és a negatív elektromosság is elemi részecskékből áll, amelyek az elektromosság atomjaiként működnek.<ref name="arabatzis">

}}</ref> A név az ''electric'' és az ''ion'' szavak kombinációjából keletkezett,<ref>"electron, n.2". OED Online. March 2013. Oxford University Press. Accessed 12 April 2013 [http://www.oed.com/view/Entry/60302?rskey=owKYbt&result=2]</ref> de azóta az elektron szóból eredeztethető -on végződés más elemi részecskék nevének végén is megjelenikmegjelent, például ''proton'', ''neutron''.<ref>

[[Fájl:Cyclotron motion wider view.jpg|right|thumb|alt=Gömb alakú vákuumcső belsejében egy fénylő körrel |Fénylő elektronáram, ami körbe hajlik a mágneses mező hatására<ref>

A német [[Johann Wilhelm Hittorf]] ritkított gázok elektromos vezetését vizsgálta. 1869-ben egy, a katódról induló izzást figyelt meg, ami annál erősebb volt, minél ritkább volt a gáz. 1876-ban a német [[Eugen Goldstein]] megmutatta, hogy ezek a sugarak árnyékot vetnek, és elnevezte őket katódsugárnak.<ref>[[#refDahl1997|Dahl (1997:55–58).]]</ref> Az 1870-es években az angol [[William Crookes]] előállította az első [[katódsugárcső|katódsugárcsövet]], vákuummal a belsejében.<ref name="dekosky">

}}</ref> Ezzel megmutatta, hogy a fénylő sugarak a katódról indulnak az anód felé, és energiát szállítanak. Ezután sikerült mágneses mezővel meghajlítani a katódsugarakat, ezzel megerősítve, hogy a sugarak negatív töltésűek.<ref name="leicester">

}}</ref><ref>[[#refDahl1997|Dahl (1997:64–78).]]</ref> 1879-ben kifejtette, hogy ez egy sugárzó anyaggal magyarázható. Szerinte ez az anyag negyedik halmazállapota, ami negatív töltésű összetett ionokból áll, amik nagy sebességgel vetődnek ki a katódból az anód felé.<ref>{{cite journal|last=Zeeman|first=P.<!-- Lockyer, Norman ed.: commenting out for now because editor field double-punctuates. -->|year=1907|title=Sir William Crookes, F.R.S|journal=[[Nature]]|volume=77|issue=1984|pages=1–3|doi=10.1038/077001a0|url=https://books.google.com/?id=UtYRAAAAYAAJ|bibcode=1907Natur..77....1C|last2=Zeeman|first2=P.}}</ref>

1896-ban az angol J. J. Thomson, John S. Townsend és H. A. Wilson<ref name="dahl"/> kísérleteikből arra jutottak, hogy a katódsugarakat elemi részecskék alkotják, és nem hullámok, vagy ionok, mint ahogy korábban gondolták.<ref name="thomson"/> Thomson pontos becslést kapott mind a tömegre (''m''), mind a töltésre (''e''), ahol is a tömeg csak ezredrésze a legkönnyebb ionnak, a hidrogénnek.<ref name="thomson"/><ref name="wilson">

}}</ref> Azt is megmutatta, hogy az ''e/m'' arány független a katód anyagától. Továbbá a radioaktív bomlás, a hevítés és a megvilágítás hatására is ugyanilyen részecskék lépnek ki. Az ír [[George F. Fitzgerald]] újra javasolta az elektron megnevezést, és ez elterjedtel is terjedt.<ref name="thomson"/><ref>

}}</ref> 1900-ban Becquerel a [[rádium]] béta-sugarait elektromos mezővel elhajlította, és kimutatta, hogy tömeg/töltés arányuk ugyanaz, mint a katódsugarak részecskéinek.<ref>

Az elektron töltését az amerikai [[Robert Millikan]] és [[Harvey Fletcher]] mérte meg pontosabban 1909-es olajcseppkísérletükben, aminek eredményeit 1911-ben publikálták. Ebben elektromos mezővel lebegtettek egy elektromosan feltöltött olajcseppet. Az eszközzel 1-150 ion töltését tudták megmérni kevesebb, mint 0,3%-os hibával. Korábban Thomson csapata is végzett hasonló kísérletet<ref name="thomson"/> az elektrolízis által feltöltött vízcseppekből álló köddel.<ref name="dahl"/> 1911-ben [[Abram Ioffe]] fémek elektromosan töltött mikroporával szintén hasonló kísérletet végzett, és függetlenül [[Robert Millikan]]tőlMillikantől és [[Harvey Fletcher]]tőlFletchertől hasonló eredményt kapott a töltésre. Eredményeit 1913-ban publikálta.<ref>

}}</ref> Az olajcseppek alkalmasabbak erre a kísérletre, mint a vízcseppek, mert az olaj lassabban párolog, így a hosszabb ideig tartó kísérletben pontosabb eredményekhez lehet jutni.

1914-ben [[Ernest Rutherford]], [[Henry Moseley]], [[James Franck]] és [[Gustav Hertz]] kísérletek alapján belátták, hogy az atomok kicsi, de nehéz pozitív töltésű magból és könnyű elektronokból állnak.<ref name="smirnov"/> 1913-ban a dán [[Niels Bohr]] azt az elméletet javasolta, hogy az elektronok csak bizonyos energiaszinteket foglalhatnak el, ezért nem zuhannak a magba. Az ezek által meghatározott pályák között ugrálhatnak. Amikor egy magasabb szintről alacsonyabb szintre lépnek, akkor a különbség fotonként távozik. Ezzel az elmélettel sikerült megmagyaráznia a hidrogén színképét,<ref>

}}</ref> 1927-ben [[Walter Heitler]] és [[Fritz London]] [[kvantummechanika]]i magyarázatot adott erre.<ref name=Arabatzis>

}}</ref> ahol egy héjon egy elektronpár osztozik. Ezzel a modellel Langmuir meg tudta magyarázni az összes elem kémiai tulajdonságait a periódusos rendszerben.<ref name=Arabatzis/> Ezek főbb jellemzőikben periódusosan viselkednek.<ref>

1924-ben az osztrák [[Wolfgang Pauli]] négy paraméterrel írta le az atom héjszerkezetét, amiben minden elektron más állapotot foglal el. Ezt ma [[Pauli-elv|Pauli-féle kizárási elvelvként]]ként ismerik.<ref>

}}</ref> a hullámtermészet pedig akkor figyelhető meg, ha például réseken bocsátják át, és interferenciajelenség lép fel. 1927-ben George Paget Thomson elvégezte a kísérletet: résen át anyagi részecskenyalábot vezetett, a rés túloldalára pedig ernyőt helyezett. Az ernyőn kialakuló interferenciakép megmutatta, hogy a hullámtermészet valóban fellép bizonyos fizikai folyamatokban. Clinton Davisson és Lester Germer amerikai fizikusok nikkelkristályt használtak hasonló [[Davisson–Germer-kísérlet|kísérletükben]].<ref>

Az anyag kettős természetére utaló kísérletek arra ösztönözték [[Erwin Schrödinger]]t, hogy a mag vonzása alatt álló elektron mozgását is [[hullámegyenlet]]tel írja le. Az 1926-ban közzétett [[Schrödinger-egyenlet|Shcrödinger-egyenlettel]]tel az is le tudta írni, hogyan haladnak az elektronhullámok.<ref>

}}</ref> Mivel ez a megközelítés lehetővé tette az elektronok egymás közötti kölcsönhatásainak, illetve az elektronok spinjéből származó hatásoknak a figyelembe vételérevételét, a hidrogénnél magasabb rendszámú atomokban is meg lehetett határozni az elektronok konfigurációját.<ref>

}}</ref> Az elektronokat először 1942-ben tudta felgyorsítani [[Donald Kerst]] [[mágneses indukció]]val. [[Betatron]]jával 2,3 &nbsp;MeV-ot ért el; a későbbi betatronok 300 &nbsp;MeV-ig gyorsították az elektronokat. 1947-ben felfedezték a [[szinkrotronsugárzás]]t a [[General Electric]] 70 &nbsp;MeV-os [[szinkrotron]]jában. A sugárzást a körpályára állított elektronok gyorsulása okozta: az egyenletes körmozgás során az elektronra [[centripetális gyorsulás]] hat, és a gyorsuló, töltött részecskék [[fékezési sugárzás]]t bocsátanak ki.<ref>

Az első részecskeütköztető az [[ADONE]] volt, ami 1968-ban kezdte meg működését 1,5 &nbsp;GeV energiájú nyalábokkal.<ref>

A 2010-es évekre már megjelentek olyan eszközök, melyek egyedi elektronok viselkedésén alapulnak. Ilyenek például a 2012-ben bemutatott L = 20&nbsp;nm, W = 20&nbsp;nm csatornaméretű [[CMOS]] tranzisztorok −269&nbsp;°C (4 &nbsp;K) és −258&nbsp;°C (15 &nbsp;K) között.<ref>{{Cite journal|year=2012|title=Few electron limit of n-type metal oxide semiconductor single electron transistors|journal=[[Nanotechnology]]|volume=23|issue=21|pages=215204|doi=10.1088/0957-4484/23/21/215204|pmid=22552118|last1=Prati|first1=E.|last2=De Michielis|first2=M.|last3=Belli|first3=M.|last4=Cocco|first4=S.|last5=Fanciulli|first5=M.|last6=Kotekar-Patil|first6=D.|last7=Ruoff|first7=M.|last8=Kern|first8=D. P.|last9=Wharam|first9=D. A.|last10=Verduijn|first10=J.|last11=Tettamanzi|first11=G. C.|last12=Rogge|first12=S.|last13=Roche|first13=B.|last14=Wacquez|first14=R.|last15=Jehl|first15=X.|last16=Vinet|first16=M.|last17=Sanquer|first17=M.|pmc=|arxiv=1203.4811|bibcode=2012Nanot..23u5204P}}</ref> Az elektron úgy halad egy félvezető kristályban, hogy eközben a többi elektronnal és a ráccsal kis mértékben reagál, effektív tömege pedig eltérhet az elektron nyugalmi tömegétől. Az ilyen rácselektronok szilárdtestekben való viselkedésével a félvezetők fizikája és a [[szilárdtestfizika]] foglalkozik.

| issue = 5–6 }}</ref> A második és a harmadik generációhoz sorolt leptonokkal azonos a töltése és a spinje, és azonos kölcsönhatásokban is vesz részt, azonban a [[müon]]hoz és a [[Tau-lepton|tauhoz]] képest az elektron jóval kisebb tömegű. A leptonok abban különböznek a kvarkoktól, hogy nem vesznek részt az erős kölcsönhatásban. A leptonok mind [[fermion]]ok, melyet félegész spinjük is mutat. Az elektron spinje 1/2 vagy -1–1/2 lehet.<ref name="raith">

Egy elektron [[invariáns tömeg]]e megközelítőleg 9,109×10⁻³¹ kilogramm, vagy 5,489×10⁻⁴ [[atomi tömegegység]].<ref name="CODATA"/> Einstein tömeg-energia megfeleltetésével ez 0,511 &nbsp;MeV nyugalmi energiának felel meg. A [[proton]] és az elektron tömegének aránya körülbelül 1836.<ref name=nist_codata_mu>

Az elektron töltése −1,602×10⁻¹⁹ [[Coulomb]].<ref name="CODATA">The original source for CODATA is {{cite journal

}}</ref> Ezt elemi töltésegységnek nevezik, és a [[Szubatomi részecske|szubatomi részecskék]] töltésének mérésére használják. Relatív pontossága 2,2×10⁻⁸.<ref name="CODATA"/> Kísérleti pontossággal az elektron töltése ugyanakkora, mint a protoné, de ellenkező előjelű.<ref>

}}</ref> A klasszikus fizikában egy test perdülete és mágneses momentuma fizikai kiterjedésétől függ. Így a pontszerű elektronmodell ellentmond a Penning-csapdákkal tett megfigyeléseknek, amik véges, de nem nulla sugárra utalnak. Ennek egy lehetséges magyarázatát rendszerint a [[Foldy–Wouthuysen-transzformáció]] figyelembe vételével adják meg.

|bibcode = 1988PhST...22..102D }}</ref> Létezik egy klasszikus fizikai konstans, ami az elektronsugár néven ismert, ami 2,8179×10⁻¹⁵ &nbsp;m, így nagyobb, mint a protoné. Ez az elnevezés a kvantumfizikai hatásokat figyelmen kívül hagyó számításokból ered. Valójában ennek nem sok köze van az elektron valódi szerkezetéhez.<ref>

Vannak elemi részecskék, amik spontán könnyebb részecskékre bomlanak. Erre egy példa a müon, ami elektronra, neutrinóra és antineutrinóra bomlik 2,2×10⁻⁶ várható élettartammal. Az elektron stabilitását elméleti indokok magyarázzák: mivel a legkönnyebb részecske, aminek tömege van, ezért bomlása sértené az anyagmegmaradás elvét. Az elektron élettartama legalább 6,6×10²⁸ év, 90%-osdos konfidenciával.<ref>

Ahogy minden részecskének, úgy az elektronnak is van hullámtermészete, és megnyilvánulhat hullámként. Ez a hullám-részecske kettősség, és a kétnyílásos kísérlettel mutatható meg. Hullámtermészete miatt az elektron egyszerre mindkét nyíláson áthaladhat, és interferálhat önmagával.

A [[kvantummechanika]] a részecskék hullámtermészetét [[komplex értékű függvény|komplex értékű függvénnyel]] írja le. Ez a [[hullámfüggvény]], amit görög betűvel, ψ-vel jelölnek. Ha ennek abszolútértékét négyzetre emelik, akkor megkapjuk annak a valószínségétvalószínűségét, hogy a részecske mely hely közelében milyen valószínűséggel figyelhető meg. Ez a [[valószínűségi sűrűség]].<ref name="munowitz">{{cite book

}}</ref> A párok létrejöttéhez szükségese energia és élettartama [[Határozatlansági reláció|Heisenberg-féle határozatlansági reláció]]ban áll egymással: ''ΔE · Δt ≥ ħ''. A szükséges ''ΔE'' energiát a vákuum is biztosíthatja egy rövid időre. Mivel ħ ≈ 6,6×10⁻¹⁶ &nbsp;eV·s, azért ez elektron esetén többnyire 1,3×10⁻²¹ &nbsp;s.<ref name="taylor">

}}</ref> Ezt 1997-ben a japán [[TRISTAN részecskegyorsító]]val végzett kísérletek is megerősítették.<ref>

|bibcode = 1948PhRv...73..416S }}</ref> A [[kvantum-elektrodinamika]] egyik legfontosabb eredménye, hogy a megjósolt eltérést mérési eredményekkel is igazolni lehetett.<ref>

|bibcode = 1950PhRv...78...29F }}</ref> ami miatt az elektron [[precesszió]]s körpályán mozog. Ez hozza létre a spint és a mágneses momentumot.<ref name="curtis74"/><ref>

}}</ref> Az atomokban szintén a virtuális fotonok okozzák a lambda-eltolódást, ami a színképvonalakon megfigyelhető.<ref name="genz"/>

}}</ref> Az elektron energiát ad le, ha egy töltött részecske, például egy proton közelébe kerül. Az elektron gyorsulása [[fékezési sugárzás]]t eredményez.<ref>

}}</ref> Ez elektronra 2,43×10⁻¹² &nbsp;m. Hosszú hullámhosszakon, mint például a látható fény (0,4–0,7 &nbsp;μm) ez az eltolódás elhanyagolható. Ez a kölcsönhatás a [[Thomson-szórás]].<ref name="Chen1998">{{cite journal|last=Chen|first=S.-Y.|year=1998|title=Experimental observation of relativistic nonlinear Thomson scattering|journal=[[Nature]]|volume=396|issue=6712|pages=653–655|doi=10.1038/25303|last2=Maksimchuk|first2=A.|last3=Umstadter|first3=D.|arxiv=physics/9810036|bibcode=1998Natur.396..653C}}</ref>

}}</ref> Az atomtól való elszakadáshoz az elektronnak akkora energiára kell szert tennie, amennyi eléri vagy meghaladja a kötési energiát. Ez is bekövetkezhet fotonok hatására; ez a [[Fényelektromos jelenség|fotoelektromos hatás]].<ref name="grupen">

}}</ref> Ha a szabad elektronok együtt mozognak, akkor kollektív mozgásuk elektromos áramot valósít meg. Az elektromos áram mágneses teret kelt, és visszafelé is: a változó mágneses tér áramot indukál. Ezeket a kölcsönhatásokat a [[Maxwell-egyenletek]] írják le.<ref>

}}</ref> A fémek [[Sávszerkezet|elektron-sávszerkezete]] csak részben töltött sávokból áll. A sávokon belüli energiájú elektronok szabadon elmozdulhatnak az anyagban, nem egy, hanem sok atomhoz tartoznak. A delokalizált elektronok egy gáz atomjaihoz hasonlóak, melyen alapul a jellemzően vezetőkre alkalmazható elektrongáz koncepciója.<ref name="ziman">

}}</ref> Ez azért lehetséges, mert az elektromos jelek hullámként, azaz az elektronok kollektív mozgásával terjednek, mely hullámok csoportsebessége az anyag dielektromos állandójától függ.<ref>

A legtöbb fém a hőt is jól vezeti, a delokalizált elektronoknak köszönhetően. Hővezetésük, szemben az elektromos vezetéssel, közel független a hőmérséklettől, amit a [[Wiedemann–Franz-törvény]] fejez ki: a hővezetés és az elektromos vezetés aránya egyenesen arányos a hőmérséklettel.<ref name="ziman" /> Minél melegebb a fémes anyag, annál erősebbek a [[kristályrács]] rezgései, ami akadályozza az elektromos vezetést, azaz növeli az ellenállást.<ref name="durrant">

}}</ref> [[Hullámtermészet]]e miatt az elektronnak de Broglie-hullámhossza is van. Ennek képlete ''λ''_''e'' = ''h/p'', ahol ''h'' a [[Planck-konstans]], és ''p'' a momentum.<ref name="de_broglie"/> Például az 51 &nbsp;GeV energiához tartozó hullámhossz 2,4×10⁻¹⁷ &nbsp;m, ami elég kicsi ahhoz, hogy az atommagnál sokkal kisebb szerkezetek is vizsgálhatók legyenek.<ref>

A következő 300&nbsp;000–400&nbsp;000{{szám|300000}}–{{szám|400000}} évben a fölös elektronok túl nagy energiával bírtak ahhoz, hogy atomok részeivé váljanak.<ref>

|arxiv = astro-ph/9902315 }}</ref> A klasszikus fizika szerint semmi, még elektromágneses sugárzás sem juthat ki belőle. A kyantummechanikakvantummechanika szerint azonban a [[Hawking-sugárzás]] érkezhet az eseményhorizont mögül. Ennek a hatására szintén keletkezhetnek elektronok és pozitronok.

A [[kozmikus sugárzás|kozmikus sugarak]] nagy energiájú részecskékből állnak. Megfigyeltek már 3,0×10²⁰ &nbsp;eV energiájú részecskéket is.<ref>

| issue = 7 }}</ref> Ha ezek a Föld légkörének nukleonjaival találkoznak, akkor részecskezáport indítanak el, amiben többek között [[pion]]ok is keletkeznek.<ref>

Az elektrongáz áramlását felhasználják például hegesztéshez.<ref>

}}</ref> Ez megengedilehetővé teszi a 10⁷ &nbsp;W·cm⁻² energiasűrűséget. A fókusz átmérője 0,1–1,3&nbsp;mm, és nem igényel töltőanyagot. Ez a hegesztés vákuumot igényel, hogy az elektronok ne lépjenek kölcsönhatásba a gázzal, mielőtt elérik a célt. Ezzel olyan vezető anyagokat is összekapcsolnak, amiket nem lehetne hagyományos módon összehegeszteni.<ref>

A [[lineáris részecskegyorsítók]] által kisugárzott elektronsugarakkal felszíni daganatokat kezelnek. Az elektronterápiával azért kezelhetők bőrsérülések és a [[bazális sejt karciómák]], mert nem hatol mélyre, tipikusan 5&nbsp;cm a távolság 5-205–20 MeV energia esetén. Kiegészítésként használják a [[Röntgensugárzás|röntgenes]] besugárzás után.<ref>

A [[kis energiájú elektron diffrakció]] (LEED) egy olyan módszer, amiben kristályos anyagokat bombáznak elektronsugarakkal, és a keletkezett diffrakciós mintázatból következtetnek az anyag szerkezetére. Itt az elektronok energiája tipikusan 20–200 &nbsp;eV.<ref>

|display-authors=etal}}</ref> A [[tükrözéses nagy energiájú diffrakció]] (RHEED) a felszínt vizsgálja. Különböző szögekből irányítják a tárgyra a sugarakat. Az elektronsugár energiája 8–20 &nbsp;keV, és a szög 1–4°.<ref>

|display-authors=etal}}</ref> Ezzel az elektronmikroszkóp hasznos képalkotó segédeszköz a laboratóriumok számára. Azonban az elektronmikroszkópot nem sok hely engedheti meg magának, mivel drága, és karbantartása is sokba kerül.