Elektroni: määritelmä, ominaisuudet, negatiivinen varaus ja merkitys

Elektroni — subatominen hiukkanen: määritelmä, ominaisuudet, negatiivinen varaus ja merkitys sähkössä, kemiassa ja teknologiassa.

Elektroni on hyvin pieni kappale ainetta. Sen symboli on e⁻ ja sen löysi J. J. Thomson vuonna 1897. Elektroni on perusosa, joka esiintyy sekä atomeissa että vapaana hiukkasena, ja se kantaa aina negatiivista sähkövarausta.

Elektroni on subatominen hiukkanen. Jokainen atomi koostuu ytimessä olevista protoneista ja neutroneista sekä atomin ydintä ympäröivistä elektroneista. Elektroni voi olla myös erillään mistä tahansa atomista; tällöin sitä kutsutaan vapaaksi elektroniksi. Elektronia pidetään alkeishiukkasena siinä mielessä, että sille ei ole todettu sisäistä rakennetta tai mahdollisuutta jakautua pienempiin osiin tunnetun fysiikan puitteissa. Sen sähkövaraus on negatiivinen ja vakio: yhden elektronin varauksen suuruus on noin −1,602176634×10^−19 coulombia (elementtärinen varaus).

Perusominaisuudet

• Varaukseen liittyvä arvo: −1,602176634×10^−19 C (elementtärinen varaus).
• Massa: hyvin pieni. Lepomassa on noin 9,10938356×10^−31 kg, eli elektronit ovat atomien massasta yleensä lähes mitättömiä.
• Spin: elektroni on fermioni, jolla on spin 1/2 — tämä tarkoittaa, että elektronit noudattavat Pauli-poissulkusääntöä ja Fermi–Dirac-tilastojakaumaa.
• Luonne: elektronit käyttäytyvät sekä hiukkasina että aaltomaisesti. Niitä kuvataan kvanttimekaniikassa aaltofunktiolla, ja niiden paikkaa ja liikemäärää koskee Heisenbergin epävarmuusperiaate.
• Ei-hajotettavuus: toistaiseksi elektronia ei ole havaittu koostuvan pienemmistä osista.

Nopeus ja liike

Elektronien massa on hyvin pieni, joten niihin kohdistuvilla kentillä ne voivat saada suuria nopeuksia. Vapaana olevat elektronit voivat liikkua lähes valon nopeudella esimerkiksi beetahiukkasina tai raskaiden alkuaineiden sisäisissä elektronikuorissa, joilla on suuri atomiluku. Kun elektronit liikkuvat johtimissa, ne muodostavat sähkövirran ja siten tuottavat käytännön sähkölaitteiden toiminnan.

Vuorovaikutukset ja kentät

Elektronit osallistuvat useisiin perusvuorovaikutuksiin: gravitaatio-, sähkömagneettiseen ja heikkoon vuorovaikutukseen. Näistä sähkömagneettinen vuorovaikutus on arkipäivän olosuhteissa merkittävin: elektronit hylkivät toisiaan johtuen samanmerkkisestä sähkövarauksesta ja vetäytyvät positiivisesti varautuneiden hiukkasten, kuten protonien, puoleen. Elektronin ympärillä on sähkökenttä, joka kuvaa tätä vetovoimaa ja hylkimistä.

Rooli atomeissa ja kemiassa

Atomien kemialliset ominaisuudet määräytyvät pitkälti niiden ulkokuoren elektroneista. Valenssielektronit osallistuvat kemiallisiin sidoksiin: ne voivat siirtyä atomista toiseen (ionisidoksessa), jakautua kahden atomin kesken (kovalenttinen sidos) tai muodostaa delokalisoituneita elektronipilviä (esim. metallisidos). Elektronin irrottaminen atomista vaatii ionisaatioenergiaksi kutsutun määrän, ja elektroneja vastaanottava atomi osoittaa elektronin affiniteettia.

Sähkö, johtuminen ja elektronit

Monet sähköiset ilmiöt perustuvat elektronien liikkeeseen. Tavallinen sähkö on käytännössä suuri joukko elektroneja, jotka liikkuvat johtimissa tai muissa johtimien kaltaisissa materiaaleissa. Hyvät johtimet, kuten metallit, sisältävät vapaita elektroneja, jotka liikkuvat helposti; eristeissä vapaita elektroneja on hyvin vähän. Puolijohteet mahdollistavat elektronien ja aukkojen määrän ja liikkuvuuden säätelyn, mikä on modernin elektroniikan perusta (transistorit, diodit).

Kvanttifysiikka ja sovellukset

Elektronien käyttäytymistä selittää kvanttimekaniikka: elektronien tiloja kuvaavat orbitaalit, energiatason kvantittuminen määrää spektrejä ja fotonien kanssa tapahtuvat vuorovaikutukset (esim. fotoelektrinen ilmiö) ovat keskeisiä. Elektroneja hyödynnetään laajasti tekniikassa ja tutkimuksessa: elektronimikroskoopit hyödyntävät elektronien lyhyttä aallonpituutta korkearesoluutioiseen kuvantamiseen, putkissa ja näyttötekniikoissa käytetään katodipurkauksia, ja elektroniikka perustuu elektronien ohjattuun liikkeeseen puolijohdelaitteissa.

Lisätietoa ja huomioita

• Elektronin antipartikkeli on positroni (e⁺); kohtaaminen positronin kanssa johtaa annihilaatioon ja fotonien syntyyn.
• Beetahajoamisessa (β-hajoaminen) yksi syntyvistä hiukkasista voi olla elektroni tai positroni, ja prosessit liittyvät heikkoon vuorovaikutukseen.
• Elektronin energiaa mitataan usein elektronivoltteina (eV), mikä on kätevä yksikkö atomifysiikassa ja sovelluksissa.

Elektroni on siis keskeinen hiukkanen sekä atomien sisäisessä rakenteessa että käytännön teknologioissa. Sen pieni massa, varaus ja kvanttiluonne tekevät siitä avaintekijän sekä kemiallisissa sidoksissa että sähkötekniikan ilmiöissä.

Kuvaus

Elektronien sähkövaraus on pienin. Tämä sähkövaraus on yhtä suuri kuin protonin varaus, mutta sen merkki on päinvastainen. Tästä syystä elektronit vetävät puoleensa atomiytimissä olevia protoneja. Tämä vetovoima saa elektronit ytimen lähellä muodostamaan atomin. Elektronin massa on noin 1/1836 kertaa protonin massa.

Yksi tapa ajatella elektronien sijaintia atomissa on kuvitella, että ne kiertävät atomissa kiinteillä etäisyyksillä ytimestä. Tällä tavoin atomin elektronit elävät useissa elektronikuorissa, jotka ympäröivät keskeistä ydintä. Kullekin elektronikuorelle annetaan numero 1, 2, 3 ja niin edelleen, alkaen siitä kuoresta, joka on lähimpänä ydintä (sisin kuori). Kullekin kuorelle mahtuu tietty enimmäismäärä elektroneja. Elektronien jakautumista eri kuoriin kutsutaan elektronijärjestykseksi (tai elektronimuodoksi tai -muodoksi). Elektronijärjestys voidaan esittää numeroimalla tai elektronidiagrammilla. (Toinen tapa ajatella elektronien sijaintia on käyttää kvanttimekaniikkaa niiden atomiorbitaalien laskemiseen).

Elektroni kuuluu eräänlaisiin subatomisiin hiukkasiin, joita kutsutaan leptoneiksi. Elektronilla on negatiivinen sähkövaraus. Elektronilla on toinenkin ominaisuus, jota kutsutaan spiniksi. Sen spin on 1/2, mikä tekee siitä fermionin.

Useimmat elektronit sijaitsevat atomeissa, mutta toiset liikkuvat itsenäisesti aineessa tai yhdessä katodisäteinä tyhjiössä. Joissakin suprajohteissa elektronit liikkuvat pareittain. Kun elektronit kulkevat, tätä virtausta kutsutaan sähköksi tai sähkövirraksi.

Kohdetta voidaan kuvata "negatiivisesti varautuneeksi", jos kohteessa on enemmän elektroneja kuin protoneja, tai "positiivisesti varautuneeksi", jos kohteessa on enemmän protoneja kuin elektroneja. Elektronit voivat siirtyä esineestä toiseen, kun niitä kosketetaan. Ne voivat vetää puoleensa toista esinettä, jolla on vastakkainen varaus, tai ne voivat hylkiä toisiaan, kun molemmilla on sama varaus. Kun esine "maadoitetaan", varautuneen esineen elektronit siirtyvät maahan, jolloin esineestä tulee neutraali. Näin toimivat ukkosenjohdattimet.

Kemialliset reaktiot

Atomin ympärillä olevissa kuorissa olevat elektronit ovat kemiallisten reaktioiden perusta. Täydelliset ulommat kuoret, joissa on eniten elektroneja, ovat vähemmän reaktiivisia. Ulkokuoret, joissa on vähemmän kuin maksimielektronit, ovat reaktiivisia. Atomien elektronien lukumäärä on kemiallisen jaksollisen järjestelmän perusta.

Mittaus

Sähkövaraus voidaan mitata suoraan sähkömittariksi kutsutulla laitteella. Sähkövirta voidaan mitata suoraan galvanometrillä. Galvanometrin antama mittaustulos on erilainen kuin sähkömittarin antama mittaustulos. Nykyään laboratoriolaitteilla pystytään eristämään ja havainnoimaan yksittäisiä elektroneja.

Elektronin 'näkeminen'

Laboratorio-olosuhteissa yksittäisten elektronien vuorovaikutusta voidaan tarkkailla hiukkasilmaisimilla, joiden avulla voidaan mitata tiettyjä ominaisuuksia, kuten energiaa, spiniä ja varausta. Eräässä tapauksessa Penningin loukkua käytettiin pitämään yksittäinen elektroni 10 kuukauden ajan. Elektronin magneettinen momentti mitattiin yhdentoista numeron tarkkuudella, mikä oli vuonna 1980 suurempi tarkkuus kuin minkään muun fysikaalisen vakion tarkkuus.

Lundin yliopistossa Ruotsissa työskentelevä työryhmä otti ensimmäiset videokuvat elektronin energiajakaumasta helmikuussa 2008. Tutkijat käyttivät äärimmäisen lyhyitä valon välähdyksiä, attosekuntipulsseja, joiden avulla elektronin liikettä voitiin tarkkailla ensimmäistä kertaa. Elektronien jakautuminen kiinteissä materiaaleissa voidaan myös visualisoida.

Antihiukkanen

Elektronin antihiukkasta kutsutaan positroniksi. Se on identtinen elektronin kanssa, mutta kantaa vastakkaisen merkin sähkö- ja muita varauksia. Kun elektroni törmää positroniin, ne voivat sirpaloitua toisistaan tai tuhoutua kokonaan, jolloin syntyy pari (tai useampia) gammafotonia.

 
Niels Bohrin atomimalli. Ytimen ympärillä on kolme elektronikuorta, ja elektroni siirtyy toiselta tasolta ensimmäiselle ja vapauttaa fotonin.  

Kysymyksiä ja vastauksia

K: Mikä on elektroni?

K: Kuka löysi elektronin?

K: Kuinka paljon elektronilla on massaa?

K: Millaisiin vuorovaikutuksiin elektronit osallistuvat?

K: Miten elektronit ovat vuorovaikutuksessa keskenään?

K: Mikä antaa virtaa televisioille, moottoreille, matkapuhelimille ja monille muille asioille?

Hae kirjaimella