Elektron je subatomski delec z negativnim električnim nabojem, ki je enak pozitivnemu naboju protona, vendar nasproten. Ta dva delca skupaj z nevtroni tvorita atome, pri čemer protoni in nevtroni prebivajo v jedru, elektroni pa v okoliških orbitalah, ki jih drži elektromagnetna sila. So vključeni v kemično vez, lahko tečejo skozi nekatere materiale kot električni tok in so odgovorni za trdnost trdnih predmetov. Delci imajo majhno maso, približno 1/1836 mase protona, in naj bi bili temeljni, torej niso sestavljeni iz manjših komponent.
Čeprav je pogosto priročno razmišljati o elektronih kot o drobnih, točkastih delcih, se lahko, tako kot drugi subatomski delci, včasih obnašajo kot valovi. To je znano kot dualnost valov-delec. Ker nihče dejansko ne more videti elektrona, tudi z najmočnejšimi in najobčutljivejšimi instrumenti, ki so na voljo, je mogoče sestaviti le modele, da bi poskušali razložiti njihovo vedenje. V nekaterih primerih najbolje deluje model »delcev«, v drugih pa model »valov«. Večino časa pa se te entitete imenujejo delci.
Elektroni v vsakdanjem življenju
Elektroni igrajo temeljno vlogo pri vsem, kar ljudje vsakodnevno doživljajo. Njihova medsebojna električna odbojnost preprečuje, da bi trdni predmeti prehajali drug skozi drugega, kljub temu, da so atomi, iz katerih so predmeti narejeni, večinoma prazen prostor. Ti delci so odgovorni tudi za to, da atomom omogočijo, da se združijo in tvorijo molekule, ki sestavljajo Zemljo in samo življenje. Sodobna civilizacija in tehnologija sta močno odvisni od električne energije, ki vključuje gibanje elektronov.
Atomi, elementi in molekule
Lastnosti kemičnih elementov so odvisne od števila elektronov, ki jih imajo, in njihove razporeditve znotraj atoma. Ti dejavniki določajo, kako se bodo atomi elementa združili z drugimi atomi v molekule. Ko se atomi združijo, to storijo tako, da dosežejo nižjo raven energije. Elektrone lahko predstavljamo kot razporejene v koncentrične lupine, vsaka z največjim številom, ki jih lahko vsebuje. Običajno je najnižje energijsko stanje doseženo med dvema atomoma, ko oba lahko napolnita svoje najbolj oddaljene lupine.
Obstajata dva glavna načina, kako se atomi lahko združujejo ali tvorijo kemično vez med seboj. Pri ionski vezi atom podari enega ali več elektronov drugemu atomu drugega elementa, običajno na tak način, da oba dosežeta polne zunanje lupine. Ker ima atom običajno enako število elektronov kot protoni, je električno nevtralen, a če ga izgubimo ali pridobimo, dobimo pozitiven ali negativen naboj, ki tvori ion. Kovina bo nagnjena k darovanju elektronov nekovini, da bi tvorila ionsko spojino. Molekulo drži skupaj električna privlačnost med pozitivno nabito kovino in negativno nabito nekovino.
V kovalentni vezi – ki se tvori med nekovinami – se atomi združujejo tako, da si delijo elektrone, da dosežejo nižje energijsko stanje, običajno spet tako, da napolnijo svoje zunanje lupine. Na primer, atom ogljika, ki je štiri krajši od polne zunanje lupine, lahko tvori kovalentne vezi s štirimi atomi vodika, od katerih je vsak kratek za en elektron, in tvori molekulo metana (CH4). Na ta način si vseh pet atomov deli polno lupino. Kovalentne vezi držijo skupaj kompleksne organske molekule, ki so bistvene za življenje.
Elektrika
Premik elektronov z enega mesta na drugega se kaže kot elektrika. To je lahko v obliki “statične” elektrike, kjer trenje povzroči, da se ti delci premikajo iz enega materiala v drugega, tako da sta oba električno nabita in lahko povzročita privlačnost do drugih predmetov. To je bilo prvič dokumentirano v stari Grčiji, ko je bil učinek dosežen z drgnjenjem jantarja s krznom. Beseda elektron pravzaprav izvira iz grške besede za jantar.
Naprava, imenovana Van de Graffov generator, uporablja ta učinek za ustvarjanje zelo visokih napetosti, ki lahko povzročijo velike iskre.
Najbolj poznana oblika električne energije pa je električni tok, ki se dovaja v domove in industrijo za zagotavljanje svetlobe in toplote ter za napajanje različnih naprav in procesov. Sestavljen je iz toka elektronov skozi primeren material, znan kot prevodnik. Najboljši prevodniki so kovine, ker se njihovi zunanji elektroni ohlapno držijo in se lahko zlahka premikajo. Gibanje prevodnika znotraj magnetnega polja lahko povzroči tok elektronov v njem, učinek, ki se uporablja pri obsežni proizvodnji električne energije.
Zgodovina
Ideja, da bi elektrika lahko prišla v majhnih, nedeljivih enotah, je obstajala že od začetka do sredine 19. stoletja, vendar je leta 1894 irski fizik G. Johnstone Stoney prvič uporabil izraz elektron za opis domnevne osnovne enote negativnega električnega naboja. . Tri leta pozneje ga je britanski fizik JJ Thompson identificiral kot subatomski delec. Šele leta 1909 je njegov naboj izmeril Robert Andrews Millikan, ameriški eksperimentalni fizik, z iznajdljivim poskusom, ki je znan študentom fizike. V nastavljivem električnem polju je suspendiral kapljice olja različnih velikosti in izračunal količino naboja, ki je potrebna, da prepreči, da bi padle z gravitacijo. Izkazalo se je, da so bile vse vrednosti večkratniki iste drobne enote, ki je bil naboj na enem samem elektronu.