Elektron

Elektron/Elektra
Belirli enerji seviyelerinde (aşağıya doğru artarak: n=1,2,3,...) ve açısal momentum'lardaki (sağa doğru artarak: s, p, d,...) bir hidrojen atomu elektronunun dalga fonksiyonları. Daha parlak olan bölgeler elektronun pozisyonu içim daha yüksek olasılık genliğine işaret ediyor.
İçerik:	Temel parçacık
Ailesi:	Fermiyon
Grubu:	Lepton
Kuşak:	Birinci
Etkileşim:	Kütleçekim, Elektromanyetik, Zayıf
Antiparçacık:	Pozitron
Teori:	G. Johnstone Stoney (1874)
Keşif:	J.J. Thomson (1897)
Sembol:	e
Kütle:	9.109 3826(16) × 10^–31 kg  5.485 799 0945(24) × 10^–4 u ^1⁄1822.888 4849(8) u 0.510 998 918(44) MeV/c^2
Ortalama ömrü:	Sonsuz
Elektrik yükü:	–1.602 176 53(14) × 10^–19 C
Spin:	½

Elektron, e− veya β− sembollü negatif temel elektrik yükü olan atom altı bir parçacıktır.^[1] Elektronlar temel Lepton parçacık ailesinin ilk jenerasyonuna aittir ve genellikle temel parçacıklar olarak düşünülürler. Çünkü bileşenleri veya alt-yapıları yoktur. Proton’un yaklaşık olarak 1/1836’sı kadar kütlesi vardır. Elektronun kuantum mekaniği özelliklerinde fermiyon anlamına gelen ħ ünitesinde yarım tam sayı değerinde içsel bir açısal momentum vardır. Pauli’nin dışlama prensibine uygun olarak, fermiyon olduğu için iki elektron aynı kuantum durumunda bulunamaz. Bütün parçacıklar gibi, elektron da hem parçacık hem de dalga olma özelliği vardır ve böylelikle diğer parçacıklarla çarpışabilir ve ışık gibi kırılabilir. Elektronun dalga olarak özelliklerini gözlemlemek nötron ve proton gibi parçacıkların bu özelliğini gözlemlemekten daha kolaydır çünkü kütlesi azdır ve böylelikle tipik enerjiler için De Broglie dalga boyu daha yüksektir.

Elektrik, manyetizma, termal iletkenlik gibi birçok fizik fenomeninde elektron temel rol oynar ve yerçekimi, elektromanyetizma ve zayıf etkileşim’de de rol oynar. Elektron çevresindeki elektrik alanını yönetir. Bir elektronun gözlemciye bağlı hareketi manyetik alanı yönetir. Dışsal manyetik alan elektronu saptırır. Elektron ışır veya hızlandırılmışsa foton formunda enerjiyi emer. Özel teleskoplar dış uzaydaki elektron plazmasını saptayabilirken, laboratuvar aletleri elektro-manyetik alanı kullanan elektron plazması gibi da elektronları tek tek inceleme veya içerme yetisine sahiptir, elektronun elektronik, kaynak, katot ışın tüpü, elektron mikroskobu, ışınım terapisi, lazerler, gaz iyonizasyon detektörleri ve parçacık hızlandırıcısı gibi alanlarda kullanılır.

Kimya, nükleer fizik gibi alanlar elektronların ve diğer atom altı parçacıkların etkileşimiyle ilgilenir. Atomik çekirdekteki pozitif proton ve negatif elektron arasındaki Coulomb kuvveti etkileşimi atomları oluşturur. İyonizasyon ve parçacıkların özelliklerinde değişimler sistemin bağ enerjisini değiştirir. İki veya daha fazla atom arasında elektronların değiş-tokuşu veya paylaşımı kimyasal bağın temel sebebidir. İlk olarak 1838 yılında İngiliz doğa filozofu Richard Laming atomların kimyasal özelliklerini açıklamak için elektron yükünün bölünemez biz özelliğinin kavramını hipotezleştirdi. İrlandalı fizikçi George Johnstone Stoney 1891 yılında bu yüke elektron adını verdi ve J.J.Thomson ve İngiliz fizikçi takımıyla 1897 yılında onu parçacık olarak tanımladı. Beta parçacıklar olarak bilindikleri yıldızlardaki nükleosentez gibi elektronlar nükleer reaksiyonlara katılırlar. Yüksek enerji çarpışmasında ve radyoaktif izotopların beta çözünmesi yoluyla elektron üretilebilir, mesela kozmik ışın atmosfere girince. Elektronun karşıt parçacığı pozitron olarak adlandırılır; elektronla karşıt sembolün elektriksel ve diğer yüklerini taşıması dışında özdeştir. Bir elektron pozitronla çarpıştığı zaman, iki parçacık da gamma ışını fotonu üreterek tamamen yok olurlar.

Tarih

Antik Yunanlar kürk ile sürtülünce kehribarın küçük nesneleri çektiğini fark ettiler. Şimşekle birlikte bu fenomen insanlığın elektrikle kayıtlara geçmiş ilk deneyimidir. 1600de De Magnete eserinde, İngiliz bilim adamı William Gilbert sürtülünce küçük nesneleri çekme özelliğini anlatan Latince ‘electricus’ terimini türetti. ‘Electric’ ve ‘electricity’ kelimeleri Yunanca kehribar ἤλεκτρον(elektron) kelimesinden gelen Latince ‘electrum’ (aynı ismin bileşiminin kökeni de)kelimesinden türetilmiştir.

1700’lerin başında, Francis Hauksbee ve Fransız kimyası Charles Francois de Fay bağımsız olarak inandıkları iki tür sürtünmeli elektrik keşfettiler, biri sürtülen cam, diğeri sürtülen reçine. Buradan, Du Fay elektriğin sürtünme ile ayrılan ve birleştirildiğinde nötrlenen iki tür elektriksel akış, vitreous and resinous, içerdiğini teorileştirdi. Bir 10 yıl sonra, Benjamin Franklin elektriğin iki farklı iki tür akıştan gelmediğini, aynı akış fakat farklı basınlar altında olduğunu açıkladı. Onlara modern yüklerini verdi, sırayla pozitif ve negatif’in isimlendirilmesi. Franklin yükün taşıyıcısını pozitif olmak olarak düşündü, ama doğru olarak hangi durum yük taşıyıcısının fazlası ve hangi durum yük taşıyıcısının eksiği olduğunu belirleyemedi.

1838 ve 1852 arasında, İngiliz doğa filozofu Richard Laming atom’un elektrik yükü ünitelerine sahip atom-altı parçacıklar tarafından çevrelenmiş maddenin özünün birleşimi olduğu fikrini geliştirdi. 1846’dan başlayarak, Alman fizikçi William Weber elektriğin pozitif ve negatif yüklü akışın bir birleşimi olduğunu ve bunların etkileşiminin ters kare kanunu ile yönetildiğini teorileştirdi. 1872'de elektroliz fenomenine çalıştıktan sonra, İrlandalı fizikçi, George Johnstone Stoney elektriğin tek kesin özelliği, tek değerli iyonun yükü, olduğunu önerdi. Faraday’ın elektroliz kanunu aracılığıyla bu temel yük e ‘nin değerini tahmin edebildi. Ama Stoney bu yüklerin atomlara sabitlenmiş olduğuna ve ayrılamayacağına inanıyordu. 1881’de, Alman fizikçi Hermann von Helmholtz hem pozitif hem negatif yüklerin ‘elektriğin atomları gibi davranan’ temel parçalara ayrılabileceğini savundu.

1891’de Stoney electron terimini bu temel yükleri adlandırmak için kullandı, sonraları 1894’deki yazısında: “… electron adını önermeye teşebbüs ettiğim elektriğin bu en dikkat çekici, temel ünitesinin gerçek miktarının bir tahmini yapıldı”. Elektron kelimesi electr(ic) ve (i)on kelimelerinin bir birleşimidir. Şimdi atom-altı parçacıkları tanımlamak için kullanılan ‘–on’ ekli dolayısıyla elektron kelimesinden türetilmiştir.

Keşif

Bir manyetik alanla halka içinde yönünden saptırılmış bir elektron demeti.

Alman fizikçi Johann Wilhelm Hittorf seyreltilmiş gazlarda elektriksel iletkenlik üzerine çalıştı: 1869’da, gaz basıncındaki azalmayla boyu olarak büyüyen katottan çıkan bir ışıldama fark etti. 1876’da Alman fizikçi Eugen Goldstein bu ışıldamadaki ışınların gölge oluşturduğunu gösterdi ve bu ışınlara katot ışını unvanını verdi. 1870’ler boyunca, İngilizce kimyacı ve fizikçi Sir William Crookes içerisine vakumlamak için ilk katot tüpünü geliştirdi. Sonra, bu tüpten çıkan ışıldanımdaki ışınların enerji taşıdığını ve katottan anoda doğru hareket ettiğini gösterdi. Dahası, bir manyetik alan uygulayarak, ışınları saptırmayı başardı, böylece bu demetin negatif yükle yüklenmiş gibi hareket ettiğini göstermiş oldu. 1879’da, radyant madde olarak tanımladığı şeyle bu özelliklerin açıklanabileceğini söyledi. Maddenin 4 durumu olduğunu-negatif yükle yüklenmiş olan yüksek hızla katottan tasarlanmış moleküller dâhil- olduğunu söyledi.

Almanya doğumlu İngiliz fizikçi Arthut Schuster katot ışınlarına paralel iki metal levha yerleştirerek levhalar aranda bir elektriksel potansiyel uygulayarak Crookes’in deneyini geliştirdi. Alan ışınları pozitif yükle yüklenmiş levhaya doğru ışınları saptırdı ki bu ışınların negatif enerji taşıdığın kanıtı oldu. Akımın verilen seviyesi için sapma miktarını ölçerek 1890’da Schuster ışın bileşenlerinin yük-kütle oranını tahmin etmeyi başardı. Ama bu üretilen değer beklenenin bin katından fazlaydı, bu yüzden onun hesaplamasına pek itimat edilmedi.

1892’de Hendrik Lorentz bu parçacıkların (elektronların) kütlesinin onların elektriksel yükünün bir sonucu olabileceğini önerdi.

1896’da İngiliz fizikçi J.J. Thomson iş arkadaşları John.S. Townsen ve H.A. Wilson ile öncesinde inanıldığından ziyade katot ışınlarının dalga, atom veya molekülden özgün olduğunu belirten bir deney yaptılar. Thomson katot ışın parçacıklarının bilinen en hafif iyon olan hidrojeninkinin binde biri olan kütlesinin ve yükünün düzgün bir tahminini yaptı. Yükünün kütlesine oranının (e/m) katot materyalinden bağımsız olduğunu gösterdi. Devamında, radyoaktif materyaller, sıcak materyaller ve aydınlatılmış materyaller tarafından üretilen negatif yüklü parçacıklar evrenseldi. Elektron ismi tekrar İrlandalı fizikçi George F. Fitzgerald tarafından bu parçacıklar için önerildi ve evresel olarak kabul edildi.

Robert Millikan

1896’da Fransız fizikçi Henri Becquerel, flüoresan minerallere çalışırken, onların hiçbir dışsal enerji kaynağına maruz kalmadan radyasyon yaydığını keşfetti. Bu radyoaktif materyaller onların parçacık yaydığını keşfeden Yeni Zelandalı bilim adamı Ernest Rutherford dâhil olmak üzere birçok bilim adamının ilgisini çekti. Bunları maddeye nüfus etme özelliklerine göre alfa ve beta olarak belirledi.1900’de Becquerel radyum tarafından yayılan beta ışınlarının elektriksel alanı saptırabileceğini ve kütle-yük oranının katot ışınlarındakinin aynısı olduğunu gösterdi. Bu kanıt elektronların atomların bileşenleri olduğu fikrini güçlendirdi.

Sonuçları 1911’de yayımlanan, ABD'li fizikçiler Rober Milikan ve Harvey Fletcher tarafından yapılan yağ damlası deneyince elektronların yükleri daha dikkatlice ölçüldü. Bu deneyde yüklü yağ damlacığının yerçekimi yüzünden düşmesini enlemek için elektriksel alan kullandı. Bu araçla %0,3’ten az bir hata payıyla, 1-150 kadar az iyonun elektriksel yükü ölçülebilir. Benzer deneyler de elektroliz tarafından yönetilen yüklü su damlacıkları bulutları kullanarak Thomson’ın ekibi tarafından daha önce yapılmıştı ve 1911’de Abram Ioffe tarafından metallerin yüklü mikro-parçacıklarını kullanan Milikan ile aynı sonuca bağımsız olarak ulaştı ve sonuçları 1913’te yayımladı. Ama yavaş buharlaşma oranı yüzünden, yağ damlacıkları su damlacıklarından daha kararlıdır ve bu yüzden duyarlı deneyler için uzun yıllardan beri daha uygundur.

Yirminci yüzyılın başlarında belli koşullar altında hızlı hareket eden yüklü parçacığın yolu boyunca aşırı doymuş su buharı yoğunluğuna neden olduğunu bulundu. 1911’de Charles Wilson bu prensibi bulut odacığını tasarlamak için kullandı ve böylelikle hızlı hareket eden elektronlar gibi, yüklü parçacıkların parçaları fotoğrafladı.

Atomik teori

N numarasıyla nicemlenmiş elektron durumlarını gösteren, Bohr atom modeli. Alt yörüngelere düşen bir elektron yörüngeler arasındaki enerji farkı kadar proton emer.

1914’e kadar, Ernest Rutherford, Henry Moseley, James Franck ve Gustav Hertz tarafından yapılan deneylerle, bir atomun yapısı düşük kütleli elektronla çevrili pozitif yüklerin yoğun bir çekirdeği olarak tanımlandı. 1913’de Danimarkalı fizikçi Niels Bohr, elektronların çekirdekle ilgili elektron yörüngelerinin açısal momentumlarıyla belirlenen enerjiyle beraber belli bir dereceye kadar enerji içeren durumlarda bulunduğunu kabul etti. Elektronlar belli sıklıklardaki protonların emisyon veya soğrulması ile bu durumlar ve yörüngeler arasında hareket edebilir. Bu nicemlenmiş yörüngeler aracılığıyla, hidrojen atomunun bu spektral çizgilerini açıkladı. Ama Bohr’un modeli bu spektral çizgilerin yoğunluğunu hesap etmekte yanıldı ve daha karmaşık atomların spektrumunu açıklamakta başaralı olamadı.

Atomların arasındaki kimyasal bağlar 1916 yılında iki atomun arasındaki kovalent bağın aralarında paylaştıkları atomlar çiftleri tarafından korunduğunu ileri süren Gilbert Newton Lewis tarafından açıklandı. Sonra 1927’de Walter Heitler ve Fritz Londan elektron çiftleri kurulumu ve kimyasal bağların kuantum mekaniği bağlamında tam açıklamasını verdi. 1919’da Amerikan kimyacı İrving Langmuirel Lewis’in statik atom modelini detaylı olarak inceledi ve elektronların ardışık konsentirik küresel kabuklara dağılmış olduğunu belirtti. Kabuklar dolayısıyla onun tarafından her biri bir çift elektron içeren bit miktar hücreye bölündü. Bu modelle Langmuir niteliksel olarak genellikle kendilerini periyodik kurallara göre tekrar eden periyodik tablodaki bütün elementlerin kimyasal özelliklerini açıklamayı başardı.

1924’de Avusturyalı fizikçi Wolfgang Pauli atomların kabul benzeri yapılarının her durum birden fazla elektron tarafından belirlenmedikçe her kuantum enerji durumunu tanımlayan 4 set parametreyle açıklanabileceğini gözlemledi. (Bu aynı kuantum enerji durumunu kaplayan birden fazla elektrona karşı yasaklama Paul’un dışlama ilkesi olarak biliniyor). İki farkı mümkün değere sahip 4üncü parametreyi açıklamak için kullanılan fiziksel mekanizma Hollandalı fizikçiler olan Samuel Goudsmit ve George Uhlenbeck tarafından sağlandı. 1925’te Goudsmit ve Uhlenbeck yörüngenin açısal momentumuna ek olan bir elektronun bir içsel açısal momentumu ve manyetik iki kutup hareketi olduğunu belirtti. İçsel açısal momentum dönme olarak bilinir ve yüksek çözünürlüklü spektrografla gözlemlenen spektral çizgilerin önceki gizemli bölünmesini açıkladı: bu fenomen ince yapı bölünmesi olarak bilinir.

Kuantum makineleri

Fransız fizikçi Louis de Broglie 1924 Recherches sur la théorie des quanta (Kuantum Teorisi üzerine Araştırma)’da bütün maddelerin ışık gibi bir de Broglie dalgasına sahip olduğunu hipotezleştirdi. Bu uygun koşullar altında elektronların ve diğer maddelerin ya dalga ya da parçacık özelliğini göstermesidir. Parçacığın parçacıksal özellikleri verilen anda onun eğik hareketi boyunca uzamda yerleştirildiği pozisyonu olduğu gösterilince ortaya çıkar. Dalga benzeri doğası, örneğin, ışık demeti paralel yarıklar boyunca geçince ve girişim modeli yaratınca gözlemlenir. 1927’de girişim efekti İngiliz fizikçi George Paget Thomson ince bir metal şerit kullanarak ve Amerikan fizikçiler Clinton Davisson ve Lester Germer nikel kristali kullanarak bir elektron demetinde bulundu.

Kuantum makinelerinde, bir atomdaki bir elektronun davranışı yörüngeden ziyade, bir dağılım olasılığı olan orbital tarafından tanımlanır. Resimde, taralı alan o noktadaki verilen kuantum numarasıyla ilgili enerjiye sahip olarak göreli elektron bulma ihtimalini gösterir.

De Broglie’nin elektronlar için dalga doğası tahmini Erwin Schrödinger’e atomdaki çekirdeğin etkisi altında hareket eden elektronlar için dalga eşitliğini öne sürmesine yol açtı. 1926’da bu eşitlik, Schödinger eşitliği, başarılı bir şekilde elektron dalgalarının nasıl yayıldığını tanımlamayı başardı. Zamanla elektronun yerini belirleyen çözümü sağlamak yerine, bu dalga eşitliği özellikle elektron dalga eşitliğinin zamanla değişmediği uzaya bağlı elektronun olduğu bir pozisyona yakın bir elektron bulma ihtimalini öngörmek için de kullanıldı. Bu yaklaşım ikinci bir kuantum mekaniği formulasyonuna izin verdi (ilki 1925’te Heisenberk tarafından yapıldı) ve Heisenberg’inki gibi Schrödinger’in eşitliğinin çözümleri 1913’te Bohr tarafından elde edilenlere eşit olan ve hidrojen spektrumunu ürettiği bilinen hidrojen atomundaki bir elektronun enerji durumunun türevini sağladı. İlk önce dönme ve çoklu elektronlar arasındaki ilişki düşünüldü, sonraları kuantum mekaniği hidrojenden daha yüksek atom numarası olan atomlardaki elektronların biçilmesini öngörmeyi mümkün kıldı.

1928’de Wolfgang Pauli’nin çalışmasını temel alarak, Paul Dirac görelilik teorisiyle uyumlu olan, kuantum mekaniğinin elektromanyetik alanının hamiltonian formulasyonuna göreli ve simetrik kavrayışları uygulayarak elektron-Dirac eşitliği modelini üretti. Göreli denklemindeki bazı problemleri çözmek için, 1930’da negatif enerjiye sahip Diraz denizi olarak adlandırılan sonsuz bir parçacık denizi olarak vakum modelini geliştirdi. Bu pozitronun(elektronun benzer karşı-maddesi) varlığını öngörmesine yardım etti. Bu parçacık 1932’de standart elektronlara negatron demeyi ve elektron kelimesini pozitif ve negatif yüklü varyantları tanımlamak için kullanmayı öneren Carl Anderson tarafından keşfedildi.

1947’de yüksek öğrenim öğrencisi Robert Retherford ile işbirliği içinde çalışan Willis Lamb hidrojen atomunun aynı enerjiye sahip olması gereken belli kuantum durumlarının birbirleriyle ilişkisinin değiştirildiğini buldu. Aynı zamanlarda, Polykarp Kusch, Henry M. Foley ile birlikte çalışarak elektronun manyetik momentini Dirac’ın teorisi tarafından öngörülenden biraz daha büyük olarak buldu. Aradaki fark daha sonları 1940’ların sonuna doğru Sin-Itiro Tomonaga, Julian Schwinger ve Richard Feynman tarafından geliştirilen kuantum elektrodinamiği teorisi tarafından açıklandı.

Parçacık hızlandırıcıları

Yirminci yüzyılın ilk yarısında, parçacık hızlandırıcıların geliştirilmesiyle birlikte, fizikçiler atom-altı parçacıkların özelliklerini araştırmaya başladılar. İlk başarılı elektromanyetik indüksiyon kullanarak elektronları hızlandırma denemesi 1942’de Donald Kerst tarafından yapıldı. İlk betatronu 2,3 MeV enerjiye ulaştı, sonraki denemeler 300 MeV enerjiyi başardı. 1947’de senkrotron radyasyonu 70 MeV elektron senkrotron ile General Electric’te keşfedildi. Radyasyon elektronların manyetik alana doğru ışık hızına yakınlaşacak kadar hızlanmasıyla oluştu.

1.5 GeV enerji demetiyle, ilk yüksek enerji çarpıştırıcı 1968’te başlayan ADONE’du. Araç ekeltronları ve pozitronları ters yönlerde, çarpışma enerjilerini bir elektronlu durağan bir hedefe çaptığındakinin iki katına çıkararak, hızlandırdı. CERN’deki The Large Electron-Positron Collider (LEP) 1989'dan 2000'e kadar çalışır haldeydi ve 204 Gev enerjilik çarpışmayı başardı ve parçacık fiziğinin Standart Model’i için önemli ölçümler yaptı.

Bireysel elektronun yakalanması

Tek elektron −269 °C (4 K)’la yaklaşık −258 °C (15 K) arasında krijonenik sıcaklığı olan çok küçük (L=20 nm, W=29 nm) CMOS transistoruna kapatılabilir. Elektron dalga özelliği yarı iletken bir kapta yayılır ve değerlik kuşağıyla çok az etkileşir, yani kütlesini etkili kütle tensörüyle değiştirerek tek parçacık biçiminde işlenebilir.

Karakteristik

Sınıflandırma

Temel parçacıkların standart modeli. Elektron(e sembolü) solda.

Parçacık fiziğinin standart modelinde elektronlar esas veya temel parçacıklar olduklarına inanılan lepton denen atom-altı parçacıcık grubuna dâhildirler. Elektronun kütlesi, yüklü herhangi bir leptondan(ya da elektrik yüklenmiş herhangi bir tür parçacıktan) daha küçüktür ve temel parçacıkların ilk jenerasyonuna aittir. İkinci ve üçüncü jenerasyonlar elektronlarla dönme ve etkileşimde aynı olan fakat daha ağır olan yüklü leptonları, muonları ve tauyu içerir. Leptonlar maddenin, kuarkların diğer bileşenlerinden güçlü bir etkileşimi olmaması bakımından farklıdırlar. Lepton grubunun büyün üyeleri fermiyondur, çünkü hepsi yarım tek-tamsayı döner, elektronun 1⁄2 dönmesi vardır.

Temel özellikler

Elektronun değişmez kütlesi yaklaşık olarak 9.109×10−31 kilogramdır veya 5.489×10−4 atomik kütle birimidir. Einstein’ın kütle enerji eşitliği prensibine göre bu kütle 0.511 MeV durgun enerjiye tekabül eder. Protonun kütlesinin elektronun kütlesine oranı yaklaşık 1836’dır. Astronomik ölçümler proton-elektron kütle oranının, standart modelde öngörüldüğü gibi, en azından evrenin yaşının yarısından beri aynı kaldığını göstermiştir.

Elektronlar −1.602×10−19 coulomb (atom-altı parçacıklar için kullanılan bir standart yük ünitesidir ve temel yük diye de adlandırılır.) kadar enerji yüklüdür. Bu temel yük 2.2×10−8 kadar bağıl standart belirsizliği vardır. Deneysel doğruluk limitleri içinde elektronun yükü protonun yüküyle aynıdır, fakat zıt işaret ile. Temel yük için e kullanılırken, elektron genellikle e- ile sembolize edilir, buradaki ekşi işareti negatif yükü temsil eder. Pozitron e+ ile gösterilir, çünkü elektronla aynı özelliklere sahiptir fakat negatife yerine pozitif yüklüdür.

Elektron içsel açısal momentum ya da 1⁄2 oranında dönmeye sahiptir. Bu özellik (1⁄2 dönmesi olan parçacık) genellikle elektrona işaret eder. Herhangi bir akstaki dönmenin izdüşüm ölçümlerinin sonuçları sadece ±ħ⁄2 olabilirken, böyle parçacıklar için dönme büyüklüğü √3⁄2 ħ’dir. Dönmeye ek olarak elektron dönme aksı boyunca içsel bir manyetik momente sahiptir. Bu yaklaşık olarak fiziksel olarak 9.27400915(23)×10−24 joules per tesla’ya sabit olan bir Bohr magnetonuna eşittir. Dönmenin yönünün elektronun momentumuna göre belirlenmesi helicity (sarmallık) olarak bilinen temel parçacıkların bir özelliğini tanımlar.

Elektronun bilinen bir alt-yapısı yoktur ve noktasal yülü uzamsal olmayan noktasal parçacık olarak kabul edilir. Klasik fizikte bir nesnenin açıksal momentumu ve manyetik momenti onun fiziksel boyutlarına bağlıdır. Bundan dolayı, elektronun sahip olduğu boyutsuzluk özelliği paradoksal ve elektronun sonlu ve sıfırdan farklı yarıçapına işaret eden Peninng kapanındaki deneysel gözlemlerle ters düşüyor gibi gözükebilir. Paradoksal duruma mümkün bir açıklama ‘sanal parçacıklar’ adlı alt başlıkta Foldy-Wouthuysen dönüşümün hesaba katılarak verilmiştir. Elektronun radyanı meselesi modern teorik fiziğin zorlu bir problemidir. Elektronun sonlu bir yarıçapı hipotezinin kabulü, görelilik teorisinin önermeleriyle uyumsuzdur. Diğer yandan, nokta benzeri elektron (sıfır yarıçaplı) sonsuzluğa yönelen elektronun kendi enerjisi nedeniyle ciddi matematiksel zorlular ortaya çıkarıyor. Dmitri Ivanenko ve Arseny Sokolov bu problemleri ayrıntılarıyla incelediler.

Bir Penning kapanındaki tek elektronun gözlemi parçacığın yarıçapının üst limitinin 10−22 metre olduğunu gösterdi. Proton’un yarıçapından fazla, klasik elektron yarıçapı denilen çok daha fazla değeri olan 2.8179×10−15 m’lik bir fiziksel sabit var. Ama terminoloji kuantum mekaniğinin etkilerini göz ardı eden basit bir hesaplamadan geliyor, gerçekte, sözde klasik elektron yarıçapı elektronun doğru temek yapısıyla çok az ilgisi vardır.

Ağır parçacıkların içinde aniden yok olan temek parçacıklar var. Örneğin; muon; elektronun, neutrino’nun ve antineutrino’nun içinde 2.2×10−6 saniyede yok olur. Ama elektron teorik temelde sabit olarak düşünülür; elektron ağırlığı en az olan ağır parçacıktır, sıfırdan farklı elektrik yükü vardır, böylelikle onun yok olması yük değişimine zarar verir. Elektronun ortalama ömrü için deneysel alt sınırı %90 güvenilirlikle 4.6×1026 yıldır.Elektronlar çekirdeğin etrafında saniyede 1.000.000 tur atabilirler. Eğer insanlar böyle bir şey yapabilse ve dünya çekirdek olsa 42.857.100.000 km/sn hızına sahip olmalılardı.Buda ışık hızının yaklaşık 143.000 katıdır.

Kuantum özellikleri

Tüm parçacıklar gibi, elektronlar da dalga gibi davranabilir. Buna dalga-parçacık ikiliği denir ve çift yarık deneyini kullanarak gösterilebilir.

Elektronun dalga benzeri doğası klasik parçacıklardaki gibi tek yarık yerine, paralel yarıklarından aynı anda geçmesine izin verir. Kuantum mekaniğinde, bir parçacığın dalga benzeri özelliği genellikle Yunan psi (ψ) harfiyle işaret edilen karmaşık değerli fonksiyonu, dalga fonksiyonu ile matematiksel olarak tanımlanabilir. Bu fonksiyonun mutlak değerinin karesi alındığında, bir parçacığın bir lokasyonun yakınında gözlemlenme (olasılık yoğunluğu) ihtimalini verir.

Tek boyutlu kutuda iki özdeş fermiyonun kuantum durumunun için bir anti-simetrik dalga fonksiyonun örneği. Eğer parçacıklar yer değiştirirse dalga fonksiyonu işaret değiştirir.

Elektronlar özdeş parçacıklardır çünkü içsel özelliklerine bakarak birbirlerinde ayrılamazlar. Kuantum mekaniğinde, bu etkileşen bir çift elektronun pozisyonlarını sistemin durumunda hiç gözlemlenebilir değişiklik olmadan değiştirebilmesi gerektiği anlamına gelir. Elektronlar dâhil, fermiyonların dalga fonksiyonları anti-simetriktir, bu şu anlama gelir: iki elektron yer değiştirdiğinde, sembol değişir; ψ(r1, r2) = −ψ(r2, r1), denklemde değişenler r1 ve r2 birinci ve ikinci elektronla ilgilidir. Sembol değişiminde mutlak değerleri değişmediğinden, bu eşit ihtimalleri gösterir. Proton gibi bozonlar simetrik dalga fonksiyonlarına sahiptir.

Anti-simetri durumunda, elektronların etkileşimi için dalga eşitliğinin çözümleri bir çiftin aynı yeri veya durumunu kapsaması sıfır ihtimalle sonuçlanır. Bu iki elektronun aynı kuantum durumunu kapsamasını engelleyen Pauili dışlama prensibinden sorumludur. Bu prensip elektronun birçok özelliğini açıklar. Örneğin, bağlı elektronların aynı yörüngede birbirleriyle çakışması yerine, bir atomda farklı yörüngelerde bulunmasına sebep olur.

Sanal parçacıklar

Fizikçiler boş uzayın devamlı olarak peş peşe birbirlerini hızlıca yok eden elektron ve pozitron gibi sanal parçacık çiftleri yarattığına inanıyorlar. Enerji farklılıklarının birleşiminin yeni parçacıklar üretmesi gerekiyordu ve var oldukları süreç Heiseberg’in belirsizlik ilişkisinde açıkladığı keşfedilebilirlik eşiğine dâhildir; ΔE • Δt ≥ ħ. Aslında, sanal parçacık üretmesi gereken enerji, ΔE, bir sürreliğine, Δt, vakumdan ödünç alınmış olabilir, böylelikle onların ürünleri indirgenmiş Plank sabitinden daha fazla değildir, ħ ≈ 6.6×10−16 eV•s. Yani, sanal parçacık için Δt en çok 1.3×10−21 s’dir.

elektron-pozitronların çiftinin bir elektronun yakınında rastgele görünmesinin şematik bir tasviri.

Bir elektron-pozitron çifti varken, elektronla çevrelenmiş, çevresindeki elektriksel alandan gelen coulomb kuvveti elektron bir geri tepme yaşarken orijinal elektronun çekimine kapılması için yaratılan pozitrona sebep olur. Bu vakum polarizasyonu denen şeye sebep olur. Aslında vakum üniteden çok elektrik geçirgenliği olan bir aracı gibi davranır. Öyleyse, bir elektrondaki etkin yük aslında gerçek değerinden düşüktür ve yük elektrondan uzaklığı artmasıyla düşer. Bu polarizasyon 1997’de Japon TRISTAN parçacık hızlandırıcısı kullanılarak deneysel olarak onaylandı. Sanal parçacıklar elektronun kütlesi için bir koruyucu etki oluştururlar.

Sanal parçacıklarla etkileşim elektronun içsel manyetik momentumundaki Bohr magnetonundan (anormal manyetik moment) küçük sapmayı(yaklaşık %0,1) da açıklıyor. Bu olağandışı kesin uyumun deneysel olarak belirlenmiş değerlerinin öngörülmüş farkı kuantum elektrodinamiğinin en büyük başarılarından biri olarak görülür.

Görünürdeki içsel açısal momentuma ve manyetik momente sahip olan noktasal parçacık elektronun paradoksu (‘Özellikler’ bölümünde bahsedilen)elektron tarafından yönetilen elektriksel alanda sanal protonların oluşuyla açıklanabilir. Bu protonlar elektronların gergin bir tarzda (zitterbewegung olarak bilinir) yer değiştirmesine sebep olur. Bu hareket elektronun hem dönmesini hem de manyetik momentumunu üretir. Atomlarda, bu sanal parça üretimi, spektal çizgilerde gözlenen Lamb değişimini de açıklar.

Etkileşim

Bir elektron pozitif yüklü bir parçacığa çekici kuvvet uygulayan ve negatif yüklü bir parçacığa itici kuvvet uygulayan bir elektrik anını yönetir. Bu gücün büyüklüğü Coulomb’un ters kare kanunuyla belirlenir. Bir elektron hareket ediyorken, bir manyetik alan yönetir. Ampère-Maxwell kanunu gözlemciye göre elektron kütle hareketiyle ilgilidir. Endüksiyonun bu özelliği bir elektrik motorunu süren manyetik alanı sağlar. Rastgele hareket eden yüklü parçacığın elektromanyetik alanı parçacığın hızı ışığınkine yakın olduğunda bile geçerli olan Liénard–Wiechert potansiyelleri tarafından açıklanır.

Soldaki q yüklü parçacık v hızı ile izleyiciye doğru konuşlanmış B manyetik alanına doğru ilerliyor. Bir elektron için, q negatiftir ve yukarıya doğru kıvrımlı bir yol izler.

Bir elektron manyetik alana doğru hareket ederken, elektron hızı ve manyetik alan tarafından tanımlanan düzleme dik şekilde hareket eden Lorentz kuvvetine tabiidir. Merkezcil kuvvet elektronun gyroradius denilen bir yarıçaptaki alana doğru sarmal bir yörünge takip etmesine neden olur. Bu eğimli hareketin ivmesi elektronun synchrotron radyasyonu formunda enerji ışımasını içerir. Enerji emisyonu Abraham-Lorentz-Dirac kuvveti olarak bilinen elektronu yavaşlatan bir sürtünme yaratır elektronun geri tepkisine neden olur. Bu kuvvet elektronun kendi üzerindeki alanının geri tepkimesine neden olur. Protonlar kuantum elektromanyetiğinde parçacıklar arasındaki etkileşimi sağlar. Sabit bir hızda izole edilmiş elektron gerçek bir protonu emer veya salar. Böyle yapmak enerji ve momentum hareketine zarar verebilir. Bunun yerine, sanal protonlar yüklü parçacıklar arasındaki momentumu transferini yapar. Sanal protonların bu değişimi, örneğin, Coulomb kuvvetini yönetir. Enerji salınımı hareket eden bir elektron proton gibi yüklü bir parçacık tarafından saptırıldığında ortaya çıkar. Elektronun ivmesi Bremsstrahlung radyasyonunun salınımı ile sonuçlanır.

Burada, bir atomik çekirdeğin elektriksel alanını tarafından saptırılmış bir elektron tarafından Bremsstrahlung üretilir. E2 − E1 enerji değişimi emilmiş fotonun sıklığını belirler.

Bir proton (ışık) ve bir tek elektron (serbest) arasındaki inelastik bir çarpışmana Compton saçılımı denir. Bu çarpışma Compton çarpışması denilen bir miktarla protonun dalga boyunu değiştiren parçacıkların arasında enerji ve momentum değişimiyle sonuçlanır. Bu dalga boyu değişiminin maksimum büyüklüğü Compton dalga boyu olarak bilenen h/mec,’dir. Bir elektron için bu değer 2.43×10−12 m’dir. Işığın dalga boyu uzun olunca (örneğin, görülebilen ışığın dalga boyu 0.4–0.7 μm’dur.) dalga puanı önemsiz hala gelir. Serbest elektron ve ışık arasındaki bu ilişki Thomson saçılımı veya doğrusal Thomson saçılımı denir.

Elektron ve proton gibi iki yüklü parçacığın arasındaki elektromanyetik etkileşimin göreli uzunluğu ince yapı sabitinde verilmiştir. Bu değer iki enerjinin oranıyla belirlenmiş boyutsuzluk miktarıdır; bir Compton dalga boyunun ayrımlındaki çekimin elektrostatik enerjisini ve yükün geri kalan enerjisi. Yaklaşık olarak 1⁄137.’e eşit olan ≈ 7.297353×10−3, olarak verilmiştir.

Elektronlar ve pozitronlar çarpıştığında, iki ya da daha fazla gama ışını fotonu ortaya çıkararak birbirlerini yok edeler. Eğer elektron ve pozitron önemsiz derecede bir momentuma sahipse, yok etme 1.022 MeV toplamı kadar iki ya da üç gama ışını fotonuyla sonuçlanmadan önce bir pozitronium atomu oluşabilir. Diğer yandan, yüksek enerji fotonları çift üretimi denilen süreç tarafından bir elektrona ve bir pozitrona dönüşebilir, ama sadece bir çekirdek gibi, yakındaki bir yüklü parçacığın varlığında.

Elektro zayıf kuvvet teorisinde, elektronun dalga fonksiyonun sola dönen bileşeni elektron nötrüno ile birlikte zayıf izospin çifti üretir. Bu güçsüz etkileşim boyunca elektron nötrünoları elektronlar gibi davranırlar anlamına geliyor. Bu çiftin üyesi ya bir W salarak ya da bir W emerek yüklü akım etkileşimine uğrayabilir ve diğer üyelere dönüşebilir. Yük reaksiyon boyunca saklanır çünkü W bozonu dönüşüm boyunca net yükü sıfırlayarak, bir yük de taşır. Yüklü akım etkileşimi radyoaktif atomdaki beta erimesi fenomeninden sorumludur. Elektron ve elektron nütrünosu Z0 değişimi sayesinde nötr akım etkileşimine uğrar ve bu nütrino-elektronun elastik saçılımından sorumludur.

Atomlar ve moleküller

Kesitte görünen ilk birkaç hidrojen atomu orbitali için olası yoğunları. Bağlı bir elektronun enerji seviyesi kapladığı orbitali belirler ve renkler verilen pozisyonda elektron bulma ihtimalini gösterir.

Çekici Coulomb kuvvetiyle, bir elektron bir atomun çekirdeğine bağlı olabilir. Çekirdeğe bağlı ya da daha fazla elektronun oluştuğu bir sisteme atom denir. Eğer atomdaki elektron sayısı çekirdeğin elektriksel yükünden farklıysa, böyle atomlara iyon denir. Bağlı elektronun dalga benzeri davranışları atomik yörünge denilen bir özellikle açıklanır. Her yörünge kendisine ait enerji, açısal momentum ve açısal momentumun izdüşümü gibi bir grup kuantum numarası vardır. Ve sadece bu yörüngelerin ayrık grupları çekirdeğin etrafında var olabilir. Pauli dışlama prensibine göre, her yörünge dönme kuantum sayısı farklı olan en fazla iki elektron tarafından doldurabilir.

Elektronlar iki orbital arasında potansiyel farkında uyuşan enerjili fotonların salma ve emmesiyle değişebilirler. Yörünge transferi için diğer metotlar elektron gibi parçacıkların çarpışması ve Auger etkisini içerir. Atomdan kaçmak için elektronun enerjisi onu atoma bağlayan bağ enerjisinin üstüne çıkarılmalıdır. Atomun iyonizasyon enerjisini aşan bir uyarıcı fotonun elektron tarafından emildiği fotoelektrik etkisiyle bu ortaya çıkabilir.

Elektronun yörüngesinin açısal momentumu kuantize olmuştur. Elektron yüklendiği için, açısal momentuma oranlı olan yörüngenin manyetik momentumunu üretir. Atomun net manyetik momentum çekirdeğin ve tüm elektronların dönme manyetik momentine ve vektör toplamına eşittir. Çekirdeğin manyetik momenti elektronunkine oranla önemsizdir. Aynı yörüngeyi kaplayan elektronların (çiftlenmiş elektron denir) manyetik momenti birbirini yok eder.

Atomlar arasındaki kimyasal bağ kuantum mekaniğinin kurallarıyla tanımlandığı gibi elektromanyetik etkileşimin sonucu olarak ortaya çıkar. En güçlü bağ moleküllerin yapımına izin vererek atomlar arasında elektron paylaşımı veya değişimiyle olur. Molekül içinde, elektronlar birkaç çekirdeğin etkisi altında hareket eder ve moleküler yörüngeler kaplarlar; tıpkı izole atomlarda atomik orbital kapladıkları gibi. Bu moleküler yapılardaki temel faktör elektron çiftlerinin var olmasıdır. Bunlar Pauli dışlama prensibine zarar vermeden aynı moleküler yörüngeyi kaplamalarına izin veren (atomlardaki gibi) zıt dönmesi olan elektronlardır. Farklı moleküler yörüngeler elektron yoğunluklarının farklı uzamsal dağılımlarına sahiptirler. Örneğin, bağlı çiftlerde (atomları bir araya bağlayan çiftlerde), elektronlar çekirdek arasında göreli küçük hacimlerde en fazla ihtimalle bulunurlar. Tam tersine, bağlı olmayan elektron çiftleri çekirdeğin etrafındaki büyük hacimlerde dağılmışlardır.

İletkenlik

Bir şimşek çakması temel olarak bir elektron akışı içerir. Şimşek çakması için gerekli elektrik potansiyeli bir triboelektrik etkisi tarafından oluşturulabilir.

Eğer bir yapı çekirdeğinin pozitif yükünü dengelemek için gerekenden az ya da fazla elektrona sahipse, bu obje net bir elektrik yüküne sahiptir. Fazla elektron varsa, obje negatif yüklenmiş denir, eğer çekirdekteki protonun sayısından daha az elektronu var, obje pozitif yüklenmiş denir. Eğer elektronların ve protonların sayısı aynı iste yükleri birbirlerini sıfırlar ve obje elektriksel olarak nötr olur. Makroskobik yapılar triboelektrik etki ile sürtülerek elektrik yükü kazanabilirler, Vakumda hareket eden bağımsız elektronlara serbest elektronlar denir. Metallerdeki elektronda da serbestlermiş gibi davranırlar. Gerçekte metallerdeki ve diğer katılardaki elektron olarak adlandırıla parçacıklara gerçek elektronlar gibi aynı elektriksel yüke, dönmeye ve manyetik momente sahip olan ama kütleleri farklı olabilen sözde elektron veya sözde parçacık denir. Metaldeki ve vakumdaki serbest elektronlar hareket edince, manyetik alanı kontrol eden elektriksel akım denilen yükün net bir akışını oluştururlar. Benzer olarak, bir akım değişen manyetik alan tarafından yaratılabilir. Bu etkileşim matematiksel olarak Maxwell eşitliğiyle tanımlanabilir.

Verilen bir sıcaklıkta, her materyal eğer bir elektrik potansiyeli uygulandıysa elektrik akımını belirleyen bir elektriksel iletkenliğe sahiptir. Teflon ve cam kötü kondüktörlerken, iyi kondüktörler arasında bakır ve altın gibi metaller vardır. Herhangi bir yalıtkan materyalde elektronlar kendi atomlarına bağlı olarak devam ederler ve materyal de bir yalıtkan gibi davranır. Çoğu yarı-kondüktör yalıtmanın ve iletmenin sınırları arasında olan bir iletkenlik seviyesine sahiptir. Diğer yandan metaller kısmen dolu elektronik kuşaklar elektronik kuşak yapısına sahiptirler. Böyle kuşakların varlığı metallerdeki elektronların yöresizleşmiş elektronlarmış gibi davranmalarına izin verir. Bu elektronlar belli atomlarla ilişkilendirilmemişlerdir, böylelikle, elektronik alan uygulandığında, gaz (Fermi gaz denir) gibi materyale doğru hareket etmekte özgürlerdir.

Elektronlar ile atomlar arasındaki çarpışma yüzünden, kondüktördeki elektronların sürüklenme hızı yaklaşık saniyede milimetredir. Ama materyaldeki bir noktadaki akımın yükünün değiştiği hız materyalin diğer kısımlarındaki akımların da değişimine neden olur. Elektrik sinyalleri materyalin dielektrik sabitine bağımlı hızla dalga gibi yayıldığı için olur bu.

Yöresizleştirilmiş elektronlar atomların arasındaki termal enerjisi taşımak için özgür için metaller sıcaklığı da iyi iletirler. Ama elektriksel iletkenliğin aksine, metalin termal iletkenliği sıcaklıktan bağımsızdır. Bu matematiksel olarak termal iletkenliğin elektriksel iletkenliğe oranının sıcaklıkla orantılı olduğunu söyleyen Wiedemann-Franz kanunuyla açıklanmıştır. Metalik örgüdeki termal bozukluk elektriksel akıma bağımlı sıcaklık üreterek metalin elektriksel direncini artırır.

Kritik sıcaklık denilen noktanın altına kadar soğulunca, materyaller süper iletkenlik olarak bilenen süreçte elektrik akımına karşı olan tüm dirençlerini kaybettikleri faz değişimine uğrarlar. BCS teorisinde Bose-Einstein yoğunlaşması olarak bilinen kuantum durumuna giren elektron çiftleri tarafından bu davranış modellenir. Bu Cooper çiftleri foton denilen örgü titreşimleriyle yakındaki maddeyle hareketlerini çiftler ve böylelikle normalde elektriksel direnç yaratan atomların çarpışmasını önler.(Cooper çiftleri yaklaşık olarak100nm yarıçapa sahiptir böylelikle birbirleriyle çakışabilirler). Ama yüksek sıcaklık süper iletkenliğin işleme belirsiz devam eder.

Kendileri sözde parçacık olan mutlak sıfıra yakın bir sıcaklıkta tutulduklarında iletken katıların içindeki elektronlar üçe bölünmüş gibi davranırlar; diğer sözde parçacıklar: spinonlar, orbitonlar ve holonlar. İlki dönme ve manyetik momenti taşır, ikincisi yörüngelerin yerlerini taşır ve üçüncüsü elektriksel yükü taşır.

Hareket ve enerji

Einstein’ın özel görelilik teorisine göre, bir elektron ışık hızına yaklaştıkça gözlemcinin bakış açısına göre göreli kütlesi artar, böylelikle gözlemcinin referans çerçevesi içinde onu hızlandırmak gittikçe zorlaşır. Vakumdaki elektron ışık hızına (c) yaklaşabilir ama hiçbir zaman yetişemez. Göreli elektron (c’ye yakın bir hızda hareket eden elektron.) su gibi ışığın bölgedeki hızı c.’den az olduğu bir dielektric bir ortama sokulduğunda, elektron geçici olarak böyle bir ortamda ışıktan hızlı hareket eder. Ortamla etkileştiklerinde, Cherenkov ışıması denilen bir kısık ışık üretilirler.

Hız fonksiyonu olarak Lorenz faktörü. 1 değerinden başlar ve v c’ye yaklaştıkça sonsuza gider.

Özel göreliliğin etkisi (v parçacığın hızı) olarak tanımlan Lorenz faktörü olarak bilinen bir özelliğe bağlıdır. v hızıyla hareket eden elektronun kinetik enerjisi (Ke); M elektronun kütlesidir. Örneğin, Standford lineer hızlandırıcısı bir elektronu yaklaşık olarak 51 GeV’e kadar hızlandırabilir. Verilen hızda elektron dalga gibi davrandığı için, de Broglie dalga boyu karakterine sahiptir. Bu λe = h/p denkleminde verilmiştir. (h Planck sabiti, p momentum). Yukarıdaki 51 GeV elektron için, dalga boyu atomik çekirdeğin boyutundan küçük yapıları keşfetmeye yetecek kadar küçük olan 2.4×10−17 m’dir.

Oluşum

Çift üretimine bir atomik çekirdek ile foton çarpışması neden olur.

Büyük patlama teorisi evrenin evrimindeki ilk basamaklarını açıklayan en çok kabul göre teoridir. Büyük patlamanın ilk milisaniyesinde, sıcaklık 10 milyar Kelvin’in üzerindeydi ve fotonlar ortalama bir milyon elektrovolt’u üstünde enerjiye sahiptiler. Bu fotonlar elektron ve pozitron çiftleri kurmak için birbirleriyle etkileşime girmeye yeterek kadar enerjiliydi. Aynı şekilde, pozitron-elektron çiftleri birbirlerini yok ederek, enerjili fotonlar yaydı:

   	γ + γ ↔ e+ + e−

Elektronlar, protonlar ve fotonlar arasındaki denklik evrenin evrimini bu fazı boyunca devam etti. Ama 15 saniye geçtikten sonra, evrenin sıcaklığı elektron-pozitron kurulumunun ortaya çıkma eşiğinin altına düştü. Kalan elektronların ve pozitronların çoğu evreni kısaca tekrar ısıtan gama radyasyonu sağınımı yaparak birbirlerini yok ettiler.

Bu belirsiz kalan nedenlerden dolayı, leptogenesis süreci boyunca pozitrona karşı çok fazla sayıda elektron vardı. Bundan dolayı, milyarda bir elektron yok etme sürecinden çıkabildi. Bu çoğunluk protonların anti protonlara karşı çoğunluğuyla eşleşti. Kalan protonlar ve nötronlar nükleosentez olarak bilinen süreçte eser miktarda lityum ile hidrojen ve helyum atomu oluşturarak birbirleriyle reaksiyona katılmaya başladılar. Bu süreç 5 dakikada zirve yaptı. Bin saniyensin yarısı kadar bir yaşam süresi sonunda geriye kalan her nötron süreçteki elektron ve protonları serbest bırakarak negatif beta erimesine uğradı,

n → p + e− + νe

300000-400000 yıl kadar fazla elektronlar atomik çekirdeğe bağlanmak için fazla elektrik yüklüydüler. Nötr atomlar oluşunca ve genişleyen evren ışımak için transparan olunca, sonraki şey ise yeniden birleşme olarak bilinen bir süreç.

Büyük patlamadan yaklaşık bir milyon yıl sonra yıldızlar oluşmaya başladı. Yıldızın içinde yıldız nükleosentezi, atomik çekirdeğin füzyonuyla pozitron üretimiyle sonuçlanır. Bu anti-madde parçacıkları gama ışınları salarak elektronlarla yok edilir. Net sonuç elektronların sayısındaki istikrarlı azalma ve nötron sayısındaki eş yükselmedir. Ama Yıldız evrimi süreci radyoaktif izotopların senteziyle sonuçlanabilir. Seçilmiş izotoplar sonrasında çekirdekten bir anti-nütrüno ve elektron salınımı yaparak negatif beta erimesine uğrayabilir. Nikel-60(60Ni) oluşturmak için yok olan kobalt-60(60Co) izotopu buna bir örnektir.

Bir genişletilmiş hava duşu Dünya’nın atmosferine çarpan enerjili kozmik ışınlar tarafından yönetilir.

Yaşam ömrünün sonunda, 20 güneş kütlesinden daha fazla kütleye sahip olan bir yıldız yerçekimsel çöküşe uğrayarak kara delik oluşturur. Klasik fiziğe göre, bu ağır yıldızsal objeler herhangi bir şeyi eski Schwarzschild yarıçapından kaçmaktan engelleyecek kadar güçlü olan bir yerçekimsel bir çekim kullanırlar. Ama kuantum mekaniği etkilerinin potansiyel olarak bu mesafeden Hawking radyasyonunun yayılımına izin verdiğine inanılır. Elektronların (ve pozitronların) yıldız kalıntılarının olay ufkunu yarattığı düşünülür.

Sanal parçacık çiftleri (bir elektron ve pozitron gibi) olay ufku civarında yaratıldığında rastgele uzamsal dağlatılan bu parçacıklar bir tanesinin dışarıda görünmesine izin verir; bu sürece kuantum tüneli denir. Kara deliğin yerçekimsel potansiyeli bu sanal parçacıkları gerçek parçacıklara dönüştüren enerjisi sağlayabilir. Değişimde, çiftin diğer üyesine kara delik tarafından net bir kütle enerjisiyle sonuçlanan negatif enerji verilir. Hawking radyasyon oranı sonunda patlayınca kadar kara deliğin buharlaşmasına sebep olarak kütlenin azalmasıyla artar.

Kozmik ışınlar yüksek enerjiyle uzayda hareket eden parçacıklardır. Enerji olaylar en yüksek 3.0×1020 eV olarak kaydedilmiştir. Bu parçacıklar dünyanın atmosferinde nükleonlarla çarpışınca, pionlar da dâhil olmak üzere bir parçacık sağanağı ortaya çıkar. Dünyanın yüzeyinden gözlemlenen kozmik radyasyonun yarısından fazlası muonları içerir. Muon denen parçacık bir pionun erimesiyle yüksek atmosferde üretilen bir leptondur.

π− → μ− + νμ

Bir muon, bir elektron veya pozitron oluşturmak üzere yok olabilir.

μ− → e− + νe + νμ

Gözlem

Aurorea çoğunlukla atmosferdeki tetikleyici elektronlar tarafından oluşturulur.

Elektronların uzaktan gözlemi ışıma yapan enerjilerinin saptanmasını gerektirir. Örneğin, bir corona yıldızı gibi yüksek enerjili çevrelerde, serbest elektron Bremsstrahlund ışıması yüzünden enerji saçan bir plazma üretir. Elektron gazı elektron yoğunluğundaki senkronize edilmiş değişimler tarafından sebep olunmuş dalgalar olan plazma osilasyonuna uğrar ve radyo teleskoplar kullanarak tespit edilebilen bir enerji yayılımı üretirler.

Fotonların sıklığı enerjisiyle oranlıdır. Bir atomun enerji seviyelerindeki bağlı elektronların geçişimleri oldukça, karakteristik sıklıklardaki protonları emer veya salar. Örneğin, atomlar geniş bir spektrumlu bir kaynak tarafından ışıma yapılırsa, ayrı soğurma çizgisi transfer edilen ışımanın spektrumunda görünür. Her element veya molekül hidrojenin spektral dizisi gibi spektral çizgilerinin karakteristik bir grubunu gösterir. Bu çizgilerin kuvvetinin ve genişliğinin Spectoriskopik ölçümleri maddenin fiziksel özelliklerinin ve kompozisyonunun belirlenmesine izin verir.

Laboratuvar koşullarında bireysel elektronlar arasındaki etkileşimler enerji, dönme ve yük gibi spesifik özelliklerin ölçümüne izin veren parçacık detektörü aracılığıyla yapılabilir. Paul ve Penning tuzaklarının gelişimi yüklü parçacıkların uzun süreler boyunca küçük bir alanda tutulmasına izin verdi. Bu parçacık özelliklerinin kesin ölçümlerini yapabilir. Örneğin, bir seferde 10 aylık bir süreçte tek bir elektronun tutmakta Penning tuzağı kullanıldı. Elektronun manyetik momenti 1980’deki diğer bütün fiziksel sabitlerden daha kesin olarak 11. basamağa kadar bir hassasiyetle ölçüldü.

Elektronun enerjisinin dağılımın ilk video görüntüsü İsveç’te Şubat 2008’de Lund üniversitesinde bir takım tarafından alındı. Bilim adamları attosaniye etki denilen elektronun hareketini ilk defa gözlemlemeye izin vermiş çok kısa ışık flaşı kullandı.

Katı materyallerdeki elektronların dağılımı angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES) tarafından görselleştirildi. Bu teknik fotoelektrik etkisini karşılıklı uzayı(orijinal yapıyı anlamak için kullanılan periyodik yapıların matematiksel bir gösterimi) ölçmek için kullanılıyor. ARPES elektronun materyaldeki yönü, hızı ve dağılımı belirlemek için kullanılır.

Plazma uygulamaları

Parçacık demeti

Nasa rüzgâr tüneli testinde, uzay mekiği modeline tekrar giriş sırasındaki iyonize gazların etkisi simüle edilerek bir elektron demeti doğrultulur.

Elektron demeti kaynakta kullanılır. 0.1–1.3 mm kısa odak çapı boyunca enerji yoğunluklarına 107 W•cm−2‘ye kadar izin verirler ve genellikle dolgu maddesi gereksinmezler. Bu kaynak teknolojisi elektronların hedefe ulaşmadan önce gazla etkileşimini engellemek için vakumda yapılmalıdır. Kaynak için uygun olmayacak iletken maddeleri birleştirmek için kullanılır.

Elektron ışımlı basım (EBL) mikrometreden daha fazla çözünmelerde yarı iletkenleri aşındırma metodudur. Bu teknik yüksek maliyetli, yavaş çalışan, vakum için çalışması gereken, katıdaki elektronların dağılma eğilimi olan bir tekniktir. Son problem 10 nm’e kadar çözünülme limitlenir. Bu nedenle EBL özelleştirilmiş entegre devlerin küçük sayıda üretiminde kullanılır.

Elektron demeti süreci fiziksel özelliklerini değiştirmek veya medikal ve gıda ürünlerini temizlemek için metallere ışıma yaptırmak için kullanılır. Elektron demeti yoğun ışınımlanmada sıcaklığı artırmadan camları akışkanlaştırır veya sözde erime sağlar: örneğin, yoğun elektron ışıması aktivasyon enerjisinin aşamalı olarak düşmesine ve akma direnci düşmesine sebep olur.

Çizgisel parçacık hızlandırıcısı radyasyon terapisinde yüzeysel tümörleri tedavisi için elektronları yönetir. Elektron terapisi bazal hücreli karsinoma gibi deri lezyonlarını tedavi edebilir çünkü bir elektron demeti soğrulmadan limitli derinliğe(elektron enerjisi için 5-20 MeV aralığında 5 cm’ye kadar) zühul edebilir. Bir elektron demeti X-ray tarafından ışınımlanmış kısımların tedavisine ek olarak da kullanılır.

Parçacık hızlandırıcıları elektronları ve onların anti-parçacıklarını yüksek enerjine doğru ilerletmek için elektriksel alanı kullanır. Bu parçacıklar manyetik alana girdiklerinde senkrotron ışıması yaparlar. Bu ışımanın yoğunluğunun dönmeye bağlı olması durumu elektron demetini polarize eder. Bu sürece Sokolov-Ternov etkisi denir. Polarize olmuş elektron demetleri birçok deney için kullanılabilir. Ayrıca, senkrotron ışıması, elektron demetlerini soğutarak parçacıkların momentum yayılmalarını azaltır. Elektron ve pozitron demetleri gerekli enerjiye ulaşana kadar hızlandırılırlar ve çarpıştırılırlar. Parçacık detektörleri bu işlem sonucunda parçacıcık fiziğinin konusu olan ortaya çıkan enerjiyi gözlemler.

Görüntü

Düşük enerji elektron kırınımı (LEED) kristal materyal elektronların koşutlanmış ışık demeti bombardımanına tutma ve materyalin yapısını belirleme için kırımınım şeklinin sonuçlarını gözlemleme yöntemidir. Elektronların gerekli enerjisi 20-200 eV’dir genellikle. Yansıma yüksek enerji kırınımı (RHEED) tekniği kristal materyalin yüzünü karakterize etmek için farklı düşük açılarda açığa çıkmış elektron demetini kullanır. Demet enerjisi 8-20 keV aralığındadır ve oranın açıcı 1–4 derecedir. Elektron mikroskobu bir modeldeki elektronların odaklanmış demetini gösterir. Bazı elektronlar demet materyal ile etkileşince hareket yönü, açıcı bağlı fazı ve enerjisi gibi özelliklerini değiştirir. Mikroskop uzmanları elektron demetindeki bu değişimleri materyalin kararlı görünüşünü atomik olarak üretmek için kaydederler. Mavi ışıkta, geleneksel optik mikroskoplar yaklaşık 200 nm’lik kırınımla sınırlı çözünürlüğe sahiptir. Kıyasla elektron mikroskopları elektronun de Broglie dalga boyu ile sınırlıdır. Dalga boyu örneğin 100,000volt potansiyele karşın 0.0037 nm’dir. The Transmission Electron Aberration-Corrected Microscope bireysel atomları çözümlemek için fazlasıyla yeterli olan 0.05 nm’nin altında çözünürlüğe sahiptir. Bu yetisi elektron mikroskobunu yüksek çözünürlüklü görüntü için yararlı bir laboratuvar aleti yapar. Ama elektron mikroskopların muhafaza edilmesi masraflı pahalı aletlerdir. İki tür elektron mikroskobu vardır; geçirimli ve taramalı. Geçirimli elektron mikroskopları materyal parçası boyunca geçen elektron demetiyle, yük bağlaşık aygıtına veya fotografik slâyda lenslerle yansıtılarak tepegöz gibi işler. Taramalı elektron mikroskoplu televizyon setinde olduğu gibi çalışılmış örnekten görüngü üretmek için iyi odaklanmış elektrona rasteri taraması yapar. Büyütme oranı 100x’dan 1.000.000x’e kadardır ya da iki mikroskop türünden de daha fazladır. Taramalı tünel mikroskobu keskin metal ucundan çalışılmış materyale elektronların kuantum tünelini kullanır ve yüzeyinin atomik olarak çözünürlüklü görüntüsünü üretir.

Diğer uygulamalar

Serbest elektron lazerinde (FEL), göreli bir elektron demeti iki kutuplu alanları alternatif yönleri gösteren magnetin oklarını içeren dalgalandırıcı demetinden geçer. Elektronlar salınım sıklığında radyasyon alanını güçlendirmek için aynı elektronlarla uyumlu olarak etkileşen senkrotron ışımasını emer. FEL geniş sıklıklarla, mikrodalgalardan hafif X-raylere uyumlu yüksek parlaklık elektromanyetik radyasyonu emer. Bu araçlar üretim, iletişim ve yumuşak doku cerrahisi gibi değişik medikal alanlarla kullanılabilir.

Elektronlar laboratuvar araçlarında, bilgisayar ekranlarında ve televizyon setlerinde çoğunlukla gösterme aracı olarak kullanılan katot ışını tüpleri için önemlidirler. Aphotomultiper tüpte, fotokatoduna çarpan her foton saptanabilir bir akım darbesi üreten bir elektrocun çığı başlatır. Vakum tüpleri elektron akışını elektriksel sinyalleri idare etmek için kullanır ve elektronik teknolojinin gelişmesinde kritik bir rol oylarlar. Ama transistor gibi katıhal aygıtları onların çoğunlukla yerlerini aldı.

Kaynak

• Electron [https://en.wikipedia.org/wiki/Electron

1. "JERRY COFF". 22 Nisan 2016 tarihinde kaynağından arşivlendi. http://web.archive.org/web/20160422101628/http://www.universetoday.com/73323/what-is-an-electron/. Erişim tarihi: 10 September 2010.