الکترون

Posted On سپتامبر 25, 2011

۵٫۴۸۵ ۷۹۹ ۰۹(۲۷) × ۱۰–۴ u

۱⁄۱۸۲۲٫۸۸۸ ۴۸۴۳(۱۱) u

الکترون (به انگلیسی: Electron) یک ذره زیر اتمی است که حامل یک بار الکتریکی منفی می باشد. الکترون هیچ جزء یا ذره ی زیر مجموعه ی شناخته شده ای ندارد. بنابراین الکترون به طور کلی به عنوان یک ذره ی بنیادی شناخته می شود. یک الکترون دارای جرمی تقریباً برابر با۱۸۳۶/۱ جرم پروتون است. اندازه حرکت زاویه ای ذاتی (اسپین) الکترون یک مقدار نیمه صحیح بر حسب ħ است، که به معنای آن است که الکترون یک فرمیون می باشد. پاد ذره ی الکترون پوزیترون نامیده می شود. پوزیترون همان الکترون است با این تفاوت که پوزیترون حامل بار الکتریکی با علامت مخالف بار الکتریکی الکترون است. هنگامی که یک الکترون با یک پوزیترون برخورد می کند، هردو ذره ممکن است پراکنده شوند و یا اینکه کاملاً نابود شوند، و یک جفت (یا بیشتر) فوتون های اشعه گاما تولید کنند. الکترون ها که متعلق به اولین نسل خانواده ی ذرات لپتون هستند، در واکنش های گرانشی، الکترومغناطیسی و واکنش های ضعیف شرکت می کنند. الکترون ها، همانند همه ی مواد، ویژگی های مکانیک کوانتومی مربوط به ذره و نیز موج را دارند، بنابراین آن ها می توانند با ذرات دیگر برخورد کنند و مانند نور دچار پراش شوند. هرچند به خوبی در آزمایش های انجام شده روی الکترون نشان داده می شود که دلیل این دوگانگی جرم بسیار کوچک الکترون است. از آنجاکه الکترون یک فرمیون است، طبق اصل طرد پاولی هیچ دو الکترونی نمی توانند یک حالت کوانتومی داشته باشند. مفهوم یک مقدار بار تجزیه ناپذیر برای توضیح ویژگی های شیمیایی اتم ها به عنوان یک نظریه در آمد و در سال ۱۸۳۸ توسط یک فیلسوف طبیعت گرای انگلیسی به نام ریچارد لامینگ مطرح شد; نام الکترون در سال ۱۸۹۴ توسط یک فیزیکدان ایرلندی به نام جورج جانتسون استونی برای این بار الکتریکی انتخاب شد. الکترون در سال ۱۸۹۷ توسط ج.ج. تامسون و گروهش که متشکل از فیزیکدانان انگلیسی بود، به عنوان یک ذره شناسایی شد.

در بسیاری از پدیده های فیزیکی مانند الکتریسیته، مغناطیس و رسانش گرمایی، الکترون ها نقشی اساسی را ایفا می کنند. یک الکترون در حرکت نسبت به یک ناظر یک میدان مغناطیسی تولید می کند، و توسط میدان های مغناطیسی خارجی منحرف خواهد شد. هنگامی که یک الکترون شتاب می گیرد، می تواند انرژی را به شکل فوتون جذب کرده و یا تابش کند. الکترون ها به همراه هسته ی اتم که متشکل از پروتون ها و نوترون ها است، اتم ها را می سازند. هر چند که الکترون ها تنها ٪۰۶/۰ جرم کل یک اتم را تشکیل می دهند. نیروی جاذبه ی کولنی بین یک الکترون و یک پروتون باعث می شود که الکترون ها در اتم ها مقید بمانند. تبادل و یا اشتراک گذاری الکترون بین دو اتم یا بیشتر دلیل اصلی تشکیل پیوندهای شیمیایی است.

طبق نظریه بیشتر الکترون های عالم در بیگ بنگ تولید شدند، اما آنها همچنین ممکن است از طریق واپاشی بتای ایزوتوپ های رادیواکتیو در برخوردهای با انرژی بالا مانند هنگامی که پرتوهای کیهانی وارد جو می شوند، تولید شده باشند. الکترون ها ممکن است به وسیله ی نابودی با پوزیترون ها نابود شوند، و یا ممکن است در حین تشکیل هسته در ستاره ها، جذب شوند. وسایل آزمایشگاهی قادرند تا الکترون های منفرد را به خوبی پلاسمای الکترون، نگهداری و مشاهده کنند، زیرا تلسکوپ های مخصوص می توانند پلاسمای الکترون را در فضای بیرونی جو آشکار سازی کنند. الکترون ها کاربرد های فراوانی دارند که از آن جمله می توان به جوشکاری، لوله های پرتو کاتدی، میکروسکوپ های الکترونی، پرتودرمانی، لیزرها و شتاب دهنده های ذرات اشاره کرد.

== تاریخچه ==

یونانیان باستان مشاهده کردند که وقتی کهربا با پشم مالش داده شود، اشیای کوچک را به سمت خود جذب می کند. اگر از صاعقه صرف نظر کنیم، این پدیده اولین تجربه ی مکتوب بشر از الکتریسیته است. در دهه ی ۱۶۰۰ دانشمندی انگلیسی به نام ویلیام گیلبرت در مقاله ای با عنوان مگنت برای اشاره به این ویژگی جذب اشیای کوچک پس از مالش، واژه ی لاتین جدیدی به نام الکتریکوس را به کار برد. واژه های الکتریسیته و الکتریک هر دو از واژه ی لاتین الکتروم ( هم چنین ریشه ی ترکیب همان اسم )، که از واژه ی یونانی ήλεκτρον (الکترون) برای کهربا آمده است، مشتق شده اند.

در سال ۱۷۳۷ دوفی و هاوکس بی به طور جداگانه آن چه را که به عنوان دو نوع اصطکاک الکتریکی می شناختند کشف کردند ; یکی تولید شده از مالش شیشه، و دیگری از مالش رزین. مطابق آن دوفی گفت که الکترون از دو مایع الکتریکی تشکیل شده است، “ویترئوس” و “رزینوس” که به وسیله ی اصطکاک از هم جدا شده اند و هنگامی که با هم ترکیب شوند یکدیگر را نابود می کنند. یک دهه بعد بنجامین فرانکلین پیشنهاد داد که الکتریسیته از انواع مختلف مایع های الکتریکی ساخته نشده است، بلکه یک مایع الکتریکی تحت فشارهای مختلف است. او بارهای جدید را به ترتیب با نام های مثبت و منفی نام گذاری کرد. فرانکلین حامل بار را مثبت در نظر گرفته بود.

بین سال های ۱۸۳۸ تا ۱۸۵۱، فیلسوف طبیعت گرای انگلیسی ریچارد لامینگ به گسترش این نظریه که اتم متشکل از یک هسته ی مادی است که به وسیله ذرات زیر اتمی حامل واحدهای بار الکتریکی در بر گرفته شده است، پرداخت. در اوایل سال ۱۸۳۶، یک فیزیکدان آلمانی به نام ویلیام وبر نظریه ای را مطرح کرد که الکتریسیته متشکل از مایع های باردار مثبت و منفی است و برهم کنش آن ها از قانون عکس مجذوری تبعیت می کند. پس از مطالعه ی پدیده ی الکترولیز در سال ۱۸۷۴، فیزیکدان ایرلندی جورج جانستون استونی پیشنهاد کرد که یک مقدار بار الکتریکی ثابت وجود دارد که همان بار یون تک ظرفیتی است. او قادر بود تا مقدار بار بنیادی الکترون را به وسیله ی قوانین الکترولیز فارادی تخمین بزند. هرچندکه استونی معتقد بود این بارها به طور دائمی به اتم ها متصل هستند و نمی توانند جدا شوند. در سال ۱۸۸۱ یک فیزیکدان آلمانی به نام هرمان وان هلمولتز مدعی شد که بارهای مثبت و منفی هر دو به قسمت های بنیادی تری تقسیم می شوند که هر کدام از آن ها “مانند اتم های الکتریسیته رفتار می کنند”.

در سال ۱۸۹۴ استونی واژه ی الکترون را برای توصیف این بارهای بنیادی به کار برد و گفت :”… یک تخمین از این قابل توجه ترین میزان واحد پایه ای الکتریسیته زده شد، که من به این دلیل اقدام به پیشنهاد نام الکترون کردم”. کلمه ی الکترون یک ترکیب از کلمه ی الکتریک و پسوند -ون می باشد، که امروزه از دومی برای معین کردن یک ذره ی زیر اتمی مانند یک پروتون و یا یک نوترون استفاده می شود.

== اکتشاف ==

یک فیزیکدان آلمانی به نام جان ویلهلم هیتورف عهده دار مطالعه ی رسانایی الکتریکی در گازهای رقیق بود. در سال ۱۸۶۹ او یک تابش را که از کاتد ساطع می شد کشف کرد، که اندازه ی این تابش با کاهش فشار گاز افزایش می یافت. در سال ۱۸۷۶ یک دانشمند آلمانی به نام یوگن گلدشتاین نشان داد که پرتوهای این تابش می توانند سایه تولید کنند، و او این اشعه ها را اشعه های کاتدی نامید. در طول دهه ی ۱۸۷۰، یک شیمیدان و فیزیکدان انگلیسی به نام سر ویلیام کروکس، اولین لوله ی پرتو کاتدی را به یک محفظه با خلأ بالا تبدیل کرد. او سپس نشان داد که پرتو های لومینسانس در داخل لوله ظاهر شده، حامل انرژی هستند و از کاتد به طرف آند حرکت می کنند. علاوه بر این، او قادر بود تا با اعمال یک میدان مغناطیسی پرتوها را منحرف کند و بدین وسیله او توانست نشان دهد که این پرتو همانند اینکه بار منفی داشته باشد رفتار می کند. در سال ۱۸۷۹ او پیشنهاد داد که این ویژگی ها را می توان با چیزی که او آن را ماده ی پرتوزا نامید، توضیح داد. او پیشنهاد کرد که این ماده چهارمین حالت ماده است که شامل مولکول های با بار منفی است که با سرعت بالا از کاتد تابش می شوند.

یک فیزیکدان آلمانی الأصل انگلیسی به نام آرتور شوستر به وسیله ی قرار دادن صفحات فلزی به موازات پرتوهای کاتدی و اعمال پتانسیل الکتریکی بین این صفحات، به گسترش آزمایشات کروکس پرداخت. میدان ایجاد شده پرتو ها را به طرف صفحه ی با بار مثبت منحرف کرد، که ثابت می کرد این پرتوها حامل بار منفی هستند. با اندازه گیری مقدار این انحراف به ازای یک جریان معین، در سال ۱۸۹۰ شوستر قادر بود تا نسبت بار به جرم اجزای این پرتو را تخمین بزند. از آنجا که این نسبت بیش از هزار بار بزرگتر از آنچه انتظار داشتند بود، عده ی کمی به آن توجه کردند.

در سال ۱۸۹۶ یک فیزیکدان انگلیسی به نام ج.ج تامسون با همکارانش به نام های جان تاونسند و ویلسون، آزمایش هایی را انجام دادند که نشان می داد پرتوهای کاتدی که قبلاً تصور می شد از موج ها، اتم ها یا مولکول ها ساخته شده اند، واقعاً ذرات یکتایی هستند. تامسون تخمین های خوبی از بار e و جرم m زد که نشان می داد ذرات پرتو کاتدی، که او آن ها را “کورپوسکل” می نامید، احتمالاً دارای جرمی معادل یک هزارم جرم سبک ترین یون شناخته شده یعنی هیدروژن هستند. او نشان داد که نسبت بار به جرم آنها یعنی e/m به جنس کاتد بستگی ندارد. او بعداً نشان داد که ذرات با بار منفی تولید شده به وسیله ی مواد رادیواکتیو، مواد پرحرارت و مواد تحت تابش نورانی، یکسان هستند. نام الکترون دوباره برای این ذرات توسط یک فیزیکدان ایرلندی به نام جورج فیتزگراد پیشنهاد داده شد و این نام تاکنون مورد پذیرش جهانی است.

هنگام مطالعه ی مواد معدنی دارای خاصیت فلوئورسانس در سال ۱۸۹۶ یک فیزیکدان فرانسوی به نام هانری بکرل کشف کرد که این مواد بدون قرار گرفتن در معرض یک منبع انرژی خارجی، پرتو تابش می کنند. این مواد رادیو اکتیو تبدیل به موضوع مورد علاقه دانشمندان از جمله فیزیکدان نیوزلندی به نام ارنست رادرفورد شدند که کشف کرد این مواد تابش کننده ی ذرات هستند. او این ذرات را بر اساس توانایی نفوذشان در مواد، آلفا و بتا نامید. در سال ۱۹۰۰ بکرل نشان داد که پرتوهای بتای تولید شده به وسیله ی رادیوم توسط میدان الکتریکی منحرف می شوند و نسبت جرم به بار آنها با پرتو های کاتدی یکسان است. این مشاهده، دیدگاه وجود الکترون ها به عنوان جزئی از اتم ها را تقویت کرد.

در سال ۱۹۰۹ بار الکترون با دقت بیشتری توسط یک دانشمند امریکایی به نام رابرت میلیکان و بوسیله آزمایش قطره روغن او اندازه گیری شد و او نتایج این آزمایش را در سال ۱۹۱۱ منتشر کرد. در این آزمایش از یک میدان الکتریکی استفاده شده بود تا از سقوط قطره های کوچک روغن بر اثر جاذبه جلوگیری کند. این وسیله می توانست بار الکتریکی را برای تعداد کمی هم چون ۱-۱۵۰ یون را با خطای کمتر از٪ ۳/۰ اندازه بگیرد. پیش از این آزمایش های قابل مقایسه ای توسط گروه تامسون انجام شده بود ، که در آن ها از بخار قطرات ریز آب باردار که به وسیله برقکافت تولید شده بودند استفاده شده بود، و در سال ۱۹۱۱ آبرام ایوفی به طور جداگانه به همان نتیجه ی میلیکان با استفاده از میکروذرات فلزات دست یافت، و نتایج آن را در سال ۱۹۱۳ منتشر کرد. هر چند که قطره های روغن به دلیل سرعت تبخیر کمتر، از قطره های آب پایدار تر و در نتیجه برای آزمایش دقیق در زمان های طولانی مناسب تر بودند.

در اوایل قرن بیستم مشخص شد که در شرایط خاصی یک ذره ی باردار متحرک با سرعت بالا باعث میعان بخار آب فراسیرشده در مسیر خود می شود. در سال ۱۹۱۱ چارلز ویلسون از این ویژگی استفاده کرد تا اتاقک ابر خود را طراحی کند که اجازه می داد از مسیر ذرات باردار نظیر الکترون های با سرعت بالا عکس برداری شود.

== نظریهٔ اتمی ==

در سال ۱۹۱۴ آزمایش های انجام شده به وسیله ی فیزیکدانانی هم چون ارنست رادرفورد، هنری موزلی، جیمز فرانک و گوستاو هرتز تا حد زیادی ساختار یک اتم را مشخص کرده بود که بیان می کرد یک هسته ی متراکم با بار مثبت به وسیله ی الکترون هایی با جرم کم محاصره شده است. در سال ۱۹۱۳ یک فیزیکدان دانمارکی به نام نیلز بور فرض کرد که الکترون در حالت های انرژی کوانتیده، با انرژی تعیین شده به وسیله ی اندازه حرکت زاویه ای مدارهای الکترون به دور هسته قرار دارد. الکترون ها می توانند بین این حالت ها یا مدارها با نشر یا جذب فوتون ها در فرکانس های خاص، حرکت کنند. او به وسیله ی این مدارهای کوانتیده خطوط طیفی اتم هیدروژن را به طور دقیقی توضیح داد. با این وجود مدل بور در بیان علت شدت نسبی خطوط طیف شکست خورد و در توضیح طیف اتم های پیچیده تر ناموفق بود.

پیوند های شیمیایی بین اتم های به وسیله ی گیلبرت نیوتون لوییس توضیح داده شدند، که در سال ۱۹۱۶ پیشنهاد داد که یک پیوند کووالانسی بین دو اتم به وسیله ی دو الکترون به وجود می آید که بین دو اتم به اشتراک گذاشته می شوند. بعدها در سال ۱۹۲۳ والتر هایتلر و فریتز لاندن توضیح کاملی در مورد شکل گیری جفت الکترون و پیوند شیمیایی از طریق مکانیک کوانتومی ارائه دادند. در سال ۱۹۱۹ یک شیمیدان آمریکایی به نام اروین لانگمور مدل اتمی استاتیک لوییس را گسترش داد و معتقد بود که همه ی الکترون ها در پوسته های کروی متحدالمرکز (تقریباً) با ضخامت یکسان به طور متوالی توزیع شده اند. پوسته ها توسط او به ترتیب به تعدادی سلول تقسیم شدند که هر کدام از آن ها شامل یک جفت الکترون بود. با این نظریه لانگمور قادر بود تا به طور کیفی ویژگی های شیمیایی همه ی عناصر جدول تناوبی را توضیح دهد، که تصور می شد به طور گسترده ای خودشان را طبق قانون تناوبی تکرار می کنند.

در سال ۱۹۲۴ یک فیزیکدان اطریشی به نام ولفگانگ پاؤلی مشاهده کرد که ساختارهای پوسته شکل اتم می توانند به وسیله یک دسته چهارتایی از پارامترها توضیح داده شوند که هر حالت انرژی کوانتومی را تعریف می کنند مادامی که هر حالت به وسیله ی یک الکترون اشغال شده باشد. ( این محدودیت که یک حالت انرژی کوانتومی نمی تواند با بیش از یک الکترون اشغال شود به اصل طرد پاؤلی معروف شد.) ساز و کار فیزیکی برای توضیح چهارمین پارامتر که دو مقدار ممکن مجزا داشت، به وسیله ی فیزیکدان های هلندی به نام های آبراهام گودسمیت و جورج اوهلنبرگ فراهم شد و آن ها معتقد بودند که یک الکترون علاوه بر اندازه حرکت زاویه ای ناشی از حرکت دایره ای، خودش نیز می تواند اندازه حرکت زاویه ای داشته باشد. این ویژگی به عنوان اسپین شناخته شد، و گسستگی رمزآلود خطوط طیفی پیشین را که با یک طیف نگار دقیق مشاهده شده بودند را توضیح داد ; امروزه این پدیده به عنوان گسستگی ساختار ضعیف شناخته شده است.

== مکانیک کوانتومی ==

در سال ۱۹۲۴ یک فیزیکدان فرانسوی به نام لوییس دوبروی در مقاله اش با عنوان (تحقیق درباره ی نظریه ی کوانتوم) فرضیه ای را مطرح کرد که همه ی مواد دارای یک موج دوبروی می باشند که شبیه نور است. در شرایط مناسب، الکترون ها یا مواد دیگر ممکن است از خودشان ویژگی های ذرات یا امواج را نشان بدهند. ویژگی های ذره ای یک ذره هنگامی بروز می کنند که در هر لحظه از طول مسیرش از خود یک موقعیت متمرکز در فضا نشان بدهد. طبیعت موجی هنگامی مشاهده می شود که مثلاً وقتی یک پرتو نور از میان دو شکاف موازی عبور می کند و تشکیل طرح تداخلی می دهد. در سال ۱۹۲۷ اثر تداخلی با یک پرتو از الکترون ها و با استفاده از یک پرده نازک فلزی توسط یک فیزیکدان انگلیسی به نام جورج پاجت تامسون مشاهده شد و همچنین دو فیزیکدان آمریکایی به نام های کلینتون دیویسون و لستر گرمر این اثر را با استفاده از یک بلور نیکل مشاهده کردند.

موفقیت پیش بینی دوبروی منجر به انتشار معادله ی شرودینگر توسط اروین شرودینگر در سال ۱۹۲۶ شد که به طور موفقیت آمیزی چگونگی انتشار امواج الکترونی را توصیف می کرد. به جای ارائه ی یک راه حل که مکان الکترون را در طول زمان بیان کند، این معادله ی موج می تواند برای پیش بینی احتمال یافتن الکترون در نزدیکی یک مکان مورد استفاده قرار گیرد. این دستاورد بعدها مکانیک کوانتومی نامیده شد که یک نتیجه ی بسیار نزدیک به حالت های انرژی یک الکترون در یک اتم هیدروژن فراهم آورد. هنگامی که اسپین و واکنش بین الکترون ها در نظر گرفته شدند، مکانیک کوانتومی اجازه داد که تعریف الکترون ها در اتم های با اعداد اتمی بالاتر از هیدروژن به طور موفقیت آمیزی پیش بینی شوند.

در سال ۱۹۲۸ پاؤل دیراک بر مبنای کار ولفگانگ پاؤلی یک مدل از الکترون به نام معادله ی دیراک ارائه داد که با نظریه نسبیت سازگار بود و آن را با اعمال فرض های نسبیتی و متناسب با فرمولبندی همیلتونی میدان الکترومغناطیسی در مکانیک کوانتومی مطرح کرد. در سال ۱۹۳۰ دیراک به منظور رفع برخی اشکالات موجود در معادله ی نسبیتی اش، یک مدل از خلأ به عنوان یک دریای نامتناهی از ذرات با انرژی منفی ارائه داد که دریای دیراک نامیده شد. این موضوع منجر شد که او وجود پوزیترون را که پادماده ای دربرابر الکترون است، پیش بینی کند. این ذره در سال ۱۹۳۲ توسط کارل اندرسون کشف شد و پیشنهاد داد که الکترون های استاندارد نگاترون نامیده شوند و الکترون به عنوان یک عبارت عمومی بکار برده شود که هر دو نوع گونه های باردار مثبت و منفی را توصیف می کند. امروزه هنوز عبارت نگاترون به ندرت استفاده می شود و شاید گاهی بصورت نگاتون کوتاه شود.

در سال ۱۹۴۷ ویلیس لام به هنگام همکاری با یک دانشجوی فارغ التحصیل به نام رابرت رادرفورد، متوجه شد که حالت های کوانتومی معینی از اتم هیدروژن که باید انرژی های یکسانی داشته باشند نسبت به یکدیگر تغییر می کنند که این تفاوت با نام تمایل لام شناخته می شود. تقریباً در همان زمان پولیکارپ کوش هنگام کار با هنری فولی، کشف کرد که گشتاور مغناطیسی الکترون کمی بیشتر از آن چیزی است که توسط نظریه دیراک پیش بینی شده است. این تفاوت کوچک بعد ها گشتاور دوقطبی مغناطیسی بهنجار الکترون نامیده شد. برای حل این گونه مسائل یک تئوری تصحیح شده در اواخر دهه ی ۱۹۴۰ به نام الکترودینامیک کوانتومی منتشر شد که به وسیله ی سین ایتیرو توموناگا، جولیان شوینگر و ریچارد فاینمن ارائه شده بود.

== شتاب دهنده های ذرات ==

با توسعه ی شتاب دهنده ی ذره ای در طول نیمه ی اول قرن بیستم، فیزیکدان ها شروع به کاوش بیشتری در ذرات زیر اتمی کردند. اولین تلاش موفقیت آمیز برای شتاب دادن به الکترون ها با استفاده از القای الکترومغناطیسی را دونالد کرست در سال ۱۹۴۲ انجام داد. بتاترون اولیه او به انرژی ۲٫۳ MeV رسید اما بعدها بتاترون ها به انرژی ۳۰۰ MeV دست یافتند. در سال ۱۹۴۷ تابش سینکروترون با استفاده از یک سینکروترون الکترونی ۷۰ MeV و در شرکت جنرال الکتریک کشف شد. این تابش به دلیل شتاب الکترون ها با سرعتی نزدیک به سرعت نور و از میان یک میدان مغناطیسی به وجود آمد.

اولین برخورد دهنده ی ذرات با انرژی بالا آدون نام داشت که دارای یک پرتو با انرژی ۱٫۵ GeV بود و در سال ۱۹۶۸ شروع به کار کرد. این وسیله الکترون ها و پوزیترون ها را در جهت مخالف شتاب می داد، که به طور مؤثری انرژی حاصل از برخورد آن ها را در مقایسه با برخورد یک الکترون با یک هدف ساکن دوبرابر می کرد. شتاب دهنده ی بزرگ الکترون-پوزیترون (LEP) در سرن که از سال ۱۹۸۹ تا ۲۰۰۰ در حال کار بود توانست به انرژی برخورد GeV ۲۰۹ دست یابد که یک معیار مهم برای مدل استاندارد فیزیک ذرات بود.

== ویژگی ها ==

=== طبقه بندی ===

در مدل استاندارد فیزیک ذرات، الکترون ها به گروهی از ذرات زیر اتمی به نام لپتون ها تعلق دارند که ذرات بنیادی یا اولیه در نظر گرفته می شوند. الکترون ها دارای کمترین مقدار جرم در میان لپتون های باردار هستند (و یا هر نوع ذره دارای بار الکتریکی) و متعلق به اولین نسل ذرات بنیادی هستند.[۶۵] دومین و سومین نسل لپتون های باردار میوئون و تاو هستند که از نظر بار، اسپین و بر هم کنش با الکترون ها یکسان بوده ولی دارای جرم بیشتری می باشند. لپتون ها از نظر نداشتن برهم کنش قوی با جزء دیگر تشکیل دهنده ی ماده به نام کوارک تفاوت دارند. همه ی اعضای گروه لپتون ها فرمیون هستند زیرا همگی آن ها دارای اسپینی برابر نصف عدد صحیح واحد می باشند و الکترون دارای اسپین ½ است.[۶۶]

== سیر تحولی و رشد ==

در نظریه‌های دالتون و نیز در نظریه‌های یونانیان، اتم‌ها کوچک‌ترین اجزای ممکن ماده بودند. اما در اواخر سده نوزدهم کم‌کم معلوم شد که اتم خود از ذراتی کوچک‌تر تشکیل یافته‌است. این تغییر دیدگاه، نتیجهٔ آزمایش‌هایی بود که با الکتریسیته به عمل آمد. در ۱۸۰۷ – ۱۸۰۸ شیمیدان انگلیسی همفری دیوی با تجزیه مواد مرکب توسط الکتریسیته، پنج عنصر پتاسیم، سدیم، کلسیم، استرانسیم و باریم را کشف کرد و دیوی با این کار به این نتیجه رسید که عناصر با جاذبه‌هایی که ماهیتا الکتریکی هستند بهم وصل می‌شوند.

در سال ۱۸۳۳ – ۱۸۳۲ مایکل فارادی مجموعه آزمایش‌های مهمی در زمینه برقکافت شیمیایی انجام داد. در فرآیند برقکافت، مواد مرکب به‌وسیله الکتریسیته تجزیه می‌شوند. فارادی رابطه بین مقدار الکتریسیته مصرف شده و مقدار ماده مرکب تجزیه شده را بررسی کرد و فرمول قوانین برقکافت را بدست آورد. بر مبنای کار فارادی، جرج جانستون استونی در سال ۱۸۷۴ به طرح این مسأله پرداخت که: واحدهای بار الکتریکی با اتم‌ها پیوستگی دارند. او در سال ۱۸۹۱ این واحد را الکترون نامید.

در سال‌های پایانی سده نوزدهم میلادی بیشتر فیزیکدانان به این باور رسیدند که الکتریسته به دو صورت ظاهر می‌شود: یکی به صورت الکترون با جرم ۹٫۱۰۹۵۳۴X۱۰-۳۱ کیلو گرم و بار منفی ۱٫۶۰۲X۱۰-۱۹ کولن و دیگری به صورت پروتون با جرم ۱٫۶۷۲۶۲۳X۱۰-۲۷ کیلو گرم و بار ۱٫۶۰۲۱۷۷X-۱۹ اعتقاد بر این بود که اتمها (و در نتیجه مولکول‌ها) از ترکیب الکترون‌ها و پروتون‌ها شکل می‌گیرد. در اوایل دهه ۱۹۳۰ معلوم شد که هسته اتمها (بجز هیدروژن) از پروتونهای مثبت و نوترونهای خنثی و با جرم ۱٫۶۷۵X۱۰-۲۷ و بدون بار الکتریکی مثبت تشکیل می‌شود. همچنین کشف شد که الکترون مثبت (یا پوزیترون) نیز با جرمی برابر با جرم الکترون و باری برابر با بار الکترون ولی با علامت مثبت (دست کم به صورت لحظه‌ای) وجود دارد.

== ساختار اتم الکترونی ==

چنانچه گفته شد اتم‌ها از ترکیب الکترون‌ها و پروتون‌ها شکل گرفته‌اند و هسته اتم‌ها نیز از پروتون‌های مثبت و نوترون‌های خنثی تشکیل شده‌است. به این ترتیب، اتم خنثی هسته‌ای با بار مثبت دارد که با الکترون‌های (منفی) احاطه شده است. اندازه هسته در هر اتم از مرتبه حدود ۱۰/۱ اندازه اتم است. بقیه حجم اتم را الکترون‌های مداری در اشغال خود دارند.

== انتقال الکترون‌ها ==

در رسانای الکتریسته (که معمولاً از جنس فلزند)، مسیرهایی برای انتقال سریع الکترون‌ها وجود دارد. یونها (اتم‌ها و مولکول‌های با بار الکتریکی مثبت یا منفی در محلول‌ها) نیز می‌توانند رساننده الکتریسته باشند. الکتریسته می‌تواند در هوا یا گازهای دیگر نیز منتقل شود، این انتقال یا به صورت جرقه‌ای است که چشمه‌ای با ولتاژ زیاد (چند هزار ولت به ازای هر سانتیمتر فاصله) آن را در فشار جو بوجود می‌آورد. و یا در فشار کم نظیر آنچه در لامپ‌های نئونی روی می‌دهد به صورت تخلیه الکتریکی است. هنوز چیزهای زیادی از الکترون برای ما انسانها پوشیده است.

== گسیل الکترون ==

فلزات داغ الکترون‌های فراوانی گسیل می‌کنند که آنها را می‌توان در خلأ خوب به صورت پرتوهای کاتدی شتاب داد. این پرتوهای تولید شده در لامپ کاتدی را می‌توان به کمک میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی فلوئورتاب کانونی کرد. لامپ‌هایی که بر این اساس کار می‌کنند در میکروسکوپ‌های الکترونی، صفحه‌های نمایشی رایانه‌ها و همچنین در تلویزیون‌ها کاربرد دارد.

بر اثر کوشش‌هایی که برای عبور جریان برق در خلا به عمل آمد، یولیوس پلوکر در ۱۸۵۹ پرتوهای کاتدی را کشف کرد. موضوع از این قرار بود که دو الکترود در یک لوله شیشه‌ای وارد کردند و پس از مسدود کردن لوله، هوای آنرا تقریباً بطور کامل بیرون کشیدند. وقتی یک ولتاژ زیاد بین دو الکترود برقرار گردید، از الکترود منفی که کاتد نامیده می‌شود پرتوهایی گسیل یافت. این پرتوها بار منفی دارند، بر خط راست سیر می‌کنند و بر دیواره مقابل کاتد موجب تلألو می‌شوند. لامپ‌های تصویری که در صفحهٔ تلویزیون و صفحه نمایش‌های کامپیوتری به‌کار می‌روند. لوله‌های پرتو کاتدی جدیدی هستند، در این لامپ‌ها پرتوها بر صفحه‌ای متمرکز می‌شوند. این صفحه با موادی پوشیده شده که هنگام برخورد با تابش پرتوها درخشش ایجاد می‌کنند.

در اواخر سدهٔ نوزدهم، پرتوهای کاتدی بطور وسیعی مورد بررسی قرار گرفت. آزمایش‌های متعدد دانشمندان به این نتیجه انجامید که پرتوهای مذکور جریانی از ذرات بار دار منفی است که حرکتی سریع دارند. این ذرات همانطور که استونی پیشنهاد کرده بود الکترون نامیده شد. این الکترون‌ها که از فلز کاتد ناشی می‌شوند همواره یکسانند و به جنس فلز بستگی ندارند. چون بارهای ناهمنام یکدیگر را جذب می‌کنند، جریان الکترون‌هایی که پرتوی کاتدی را بوجود می‌آورند هرگاه از میان دو صفحه با بارهای مخالف بگذرند به طرف صفحه‌ای که بار مثبت دارد کشیده می‌شوند. بنابراین پرتوهای کاتدی در یک میدان الکتریکی از مسیر عادی مستقیم خود منحرف می‌شوند. درجه این اختلاف به دو عامل بستگی دارد:

# انحراف بطور مستقیم با اندازه بار ذره تغییر می‌کند. ذره‌ای که بار بیشتری دارد بیشتر از ذره‌ای که بار کمتری دارد منحرف می‌شود.
# انحراف بطور معکوس با جرم ذره تغییر می‌کند. ذره‌ای با جرم بزرگ‌تر کمتر از ذره‌ای با جرم کوچک‌تر منحرف می‌شود.

== انواع الکترونها ==

=== الکترون آزاد ===

الکترونی که از اتم جدا شده و به آن بستگی ندارد. الکترون‌های بیرونی‌ترین لایه‌های اتم‌های فلزات بستگی کمتری نسبت به اتم‌های خود دارند و با گرفتن انرژی کوچکی از این اتم‌ها کنده می‌شوند و به شکل توده‌ای از ابر یا گاز، شبکه‌های اتمی فلزات را در بر می‌گیرند. هنگامی که الکترون‌های آزاد در میدان الکتریکی قرار گیرند، جریان الکتریکی بوجود می‌آید.

=== الکترون اوژه ===

الکترون اوژه نوعی الکترون آزاد است که از اتم یا یون گسیل می‌شود. هنگامیکه الکترونی، اتم را ترک کند، یک جای خالی از خود بجا می‌گذارد. الکترون‌های لایه‌های بالاتر که پرانرژی‌ترند می‌توانند به این جای خالی رفته و انرژی آزاد کنند. انرژی آزاد شده می‌تواند به دو گونه باشد، یا بصورت فوتون تابش شود و یا به الکترون دیگری منتقل شده و باعث شود آن الکترون از اتم به بیرون پرتاب شود. الکترونی که بدین‌گونه از اتم خارج می‌شود را الکترون اوژه گویند.

به بیان دیگر، الکترون اوژه از بازآرایی الکترونهای مقید از اتم یا یون اولیه سرچشمه می‌گیرد. این بازآیی از واکنش الکترون – الکترون که مولد نیروی دافعه است و می‌تواند بر نیروی جاذبه ناشی از برهمکنش الکترون – هسته فایق آید، صورت می‌گیرد. با آن همه بازآیی یاد شده تنها هنگامی می‌تواند رخ دهد که حداقل جای یک الکترون در تراز انرژی معین اتم یا یون اولیه خاصی باشد و در تراز با انرژی بیشتر از انرژی تهی جا حداقل دو الکترون وجود داشته باشد، یکی از الکترون‌های تراز بالاتر به تراز دارای تهی جا سقوط می‌کند و الکترون دیگر به صورت الکترون آزاد از اتم خارج می‌شود.

=== الکترون ظرفیت یا الکترون والانس ===

هر یک از الکترون‌های لایه خارجی اتم که در ایجاد پیوندهای شیمیایی شرکت می‌کنند.

=== الکترون رسانش ===

اتم‌های هر فلزی با پیوندهای کووالانسی که راستای کاملاً مشخص ندارند و میان چندین اتم پخش شده‌اند، به همدیگر مقید هستند. بنابراین الکترون‌هایی که قیدشان در ضعیفترین حد است (الکترون ظرفیت) می‌توانند در سراسر فلز حرکت کنند. این الکترون‌های متحرک که الکترون رسانش نامیده می‌شود در خواص الکترونی و انتقال گرما در فلزها دخالت دارد.

== نکات دیگر ==

* مدل گاز آزاد فرمی: برای فلزهای ساده مانند (pb , TI , In , GA , Al , Ba , Sr, Ca , Mg , Be , Rb , Cs , Ka , Na , Li) سهم الکترون رسانش در رسانندگی گازی از فرمیون‌ها بدون برهمکنش و با چشم پوشی از انرژی پتانسیل ناشی از بخش مرکزی یونها، می‌توان محاسبه کرد. در این مدل، انرژی مجاز الکترون‌های رسانشی پیوسته‌اند و در انرژی فرمی εf با یک سطح کروی فردی روبرو هستیم.

* خواص الکترونی: وقتی یک میدان الکتریکی خارجی به فلز اعمال می‌شود، الکترون‌های رسانش شروع به شتاب گرفتن می‌کنند. اما برخورد این الکترون‌ها با ناخالصی‌ها به فوتون‌ها، ناکاملی‌های شبکه، حرکتشان را کند می‌کند، این فرآیند منجر به حالتی مانا می‌شوند که در آن سرعت سوق برای الکترون رسانش عبارت است از: v = -eET/m

که در آن e بار الکترون، E میدان الکتریکی، T زمان میانگین بین برخورد (یا زمان واهلش) و m جرم الکترون است.

* سرعت سوق الکترون: میانگین سرعتی که با آن الکترون‌ها یا یون‌ها، بر اثر میدان الکتریکی در ماده‌ای رسانا یا نیم رسانا جابجا می‌شوند. نیم رساناهای خالص و آلاییده دارای حامل‌های (الکترون‌ها و حفره‌های رسانش) آزادی هستند که تحت تأثیر میدان الکتریکی ممکن است در داخل جسم جابجا شوند. تعداد الکترونها و حفره‌ها به جنس نیم رسانا و میزان و نوع آلایش و دمای آن بستگی دارد. اما در هر نیم رسانای قابل استفاده این تعداد معمولاً بین ۱۰۲۲ تا ۱۰۲۶ الکترون یا حفره در هر متر مکعب است. در غیاب میدان الکتریکی این حامل‌ها در جهت کاتوره‌ای در جسم حرکت می‌کنند و بنابراین جریان الکتریکی خالص بوجود نمی‌آورند.

هر گاه میدان الکتریکی برقرار شود، بر حاملها نیروی الکتریکی وارد می‌شود و در جهت نیرو به آنها شتاب داده می‌شود، که این امر به ایجاد جریان الکتریکی می‌انجامد. اما حامل‌ها با اتم‌ها و نقص بلور، مانند ناخالصی‌ها و دررفتگی‌ها نیز برهمکنش و برخورد نیز دارند و این برخوردها سبب می‌شوند سرعت الکترون کاتوره‌ای شود. به این ترتیب الکترون‌ها و حفره‌ها در جهت نیروی الکتریکی دارای سرعت متوسطی هستند. و این سرعت متوسط یا سرعت سوق با توازن بین نیروی الکتریکی در زمان T فاصله زمانی میانگین بین برخوردها مشخص می‌شود.

سرعت برخورد برابر است با Vp = eTE/m که در آن، E میدان الکتریکی اعمال شده بر حسب ولتمتر را، e بار الکترون و *m جرم مؤثر حامل است.

== اسپین الکترون ==

اسپین یکی از ویژگی‌های درونی ذرات است. اسپین خاصیتی است که به غیر صفر بودن تکانهٔ زاویه‌ای ذرّهٔ ساکن مربوط می‌شود، این‌که الکترون‌ها دارای اسپین هستند از اهمیت خاصی برخوردار است. اسپین الکترون در شیمی و در جنبه‌هایی از رفتار ماده معمولی، بویژه در پدیده‌های مغناطیسی نقش اساسی ایفا می‌کند. الکترون حامل اسپین ۲/۱ هسته و این بدان معنی است که برای الکترون ساکن اندازه‌گیری تکانه زاویه‌ای نسبت به یک محور مفروض به یکی از دو نتیجه ممکن ħ/۲ ± می‌انجامد ħ = h/۲π ثابت کاهیده پلانک است.

اسپین الکترون دو پیامد نیزدیکی دارد: یکی اینکه الکترون‌ها را به صورت آهنربایی میکروسکوپیکی در می‌آورد، که هم میدان مغناطیسی تولید می‌کنند و هم در برابر میدان مغناطیسی واکنش نشان می‌دهند. دیگر اینکه یک درجه آزادی داخلی نمی‌توانند حالت کوانتمی یکسان داشته باشند و این خاصیتی است به فرمیون بودن الکترون‌ها مربوط می‌شود. پراش الکترون فیزیک کلاسیک، الکترون‌ها را ذراتی در نظر می‌گیرد با جرم و بار معین، برهمکنش الکترون با میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی را می‌توان بر حسب حرکت ذره توضیح داد. آزمایش‌های اولیه با لامپ پرتوی کاتودی که باریکه الکترون را فراهم می‌آورد، نشان داد که اجسام کوچکی که در لامپ قرار داده شوند روی پرده فسفری سایه واضح می‌اندازند. این آزمایش با تصویر کلاسیکی الکترون به صورت ذره کاملاً سازگار است.

طول موج دوبروی الکترونی با انرژی ۱۰۰۰v یعنی الکترونی که با پتانسیل ۱۰۰۰v شتاب گرفته باشد، برابر ۴X۱۰<-۱۱ متر است. چون این مقدار بسیار کوچک‌تر از اندازه جسم است، اثر پراش بسیار کوچک‌تر از آن است که دیده شود. بلافاصله بعد از اینکه دوبروی اظهار نظر کرد که ماده باید خواص موجی از خود نشان دهد، والتر الساسر اعلام کرد که پراش الکترون‌ها باید در سطح بلور قابل مشاهده باشد. == موارد مرتبط == * ترکیبات الکترونی * پراش الکترونی * الکترونگاتیوی * الکترونخواهی * اعداد کوانتومی الکترون == منابع == * Electron definition == جستارهای وابسته ==