אלקטרון

אלקטרון
מסלולי האלקטרונים הראשונים של אטום מימן נראים כקווים מצטלבים עם עוצמת הסתברות מקודדת בצבעים.
הרכב:	חלקיק אלמנטרי
סטטיסטיקה:	פרמיון
קבוצת שיוך:	לפטון
דור:	ראשון
אנטי חלקיק:	פוזיטרון
חלקיק:	אלקטרון
תכונות
מסת מנוחה:	‎‎9.11×10-31‎ kg ‎0.51 MeV/c2
מטען חשמלי:	‎- e
ספין:	‎1/2 ħ
מטען צבע:	אין
אינטראקציות:	כבידה, אלקטרומגנטיות, אינטראקציה חלשה
היסטוריה
נצפה?	כן
שנת גילוי:	1897

האלקטרון (סימונו המדעי ^-e) הוא חלקיק תת-אטומי. במבנה הבסיסי של האטום, האלקטרונים מקיפים את גרעין האטום שמכיל את הפרוטונים והנייטרונים. מטענו החשמלי של האלקטרון שלילי, ושווה בגודלו לזה של הפרוטון. מסתו זניחה ביחס למסת הפרוטון או הנייטרון (יחס של 1:1836 בקירוב). האלקטרון נחשב לחלקיק יסודי (כלומר לא ידוע על קיומו של מבנה פנימי לאלקטרון), והוא מסווג על-פי תכונותיו לקבוצת חלקיקים תת-אטומיים הקרויה לפטונים.

הולכה חשמלית במוצקים מתבצעת על ידי אלקטרונים, כלומר הם מהווים את נושאי המטען החשמלי בזרם חשמלי במוצקים, ובפרט במוליכים מתכתיים, שם ההולכה יעילה במיוחד, בעזרת מנגנון של אלקטרונים חופשיים.

לאלקטרון יש ספין שערכו 1/2, מה שאומר שהוא פרמיון, כלומר - מציית לעקרון האיסור של פאולי.

במכניקת הקוונטים, האלקטרון מתואר על ידי משוואת דיראק. במודל הסטנדרטי של פיזיקת החלקיקים, הוא יוצר זוג יחד עם נייטרינו אלקטרוני, תוך שהם מגיבים דרך הכוח הגרעיני החלש. לאלקטרון יש שני שותפים נוספים, עם אותו מטען אך מסה גבוהה בהרבה: המיואון והטאו.

האנטי-חלקיק של האלקטרון הוא הפוזיטרון. לפוזיטרון יש מטען חשמלי השווה בגודלו לזה של האלקטרון, אבל בניגוד לאלקטרון, מטענו חיובי. גם המסה והספין שלו שווים לאלה של האלקטרון. כשאלקטרון ופוזיטרון נפגשים הם עשויים לאיין זה את זה, ולשחרר שתי קרני גמא או פוטונים (לפי המודל החלקיקי) הנעים בכיוונים מנוגדים, כשלכל אחת אנרגיה של 0.511 מא"ו. בתהליך כזה שחרור של קרן גמא אחת או פוטון אחד איננו אפשרי, משום שהוא מנוגד לחוק שימור התנע הקווי, התקף גם לחלקיקים יסודיים. תגובה זו נבדקה בניסויים בתא ערפל.

תכונות

דואליות

בהתאם להשערת דה ברויי, לאלקטרונים, כמו לחלקיקים אחרים, יש הן תכונות של חלקיק והן של גל (דואליות גל-חלקיק). עקב מסתם הנמוכה, תכונותיהם הגליות יכולות להימדד בניסויים שונים. אלקטרון הקשור לגרעין מתנהג כגל עומד (ראו מכניקה קוונטית).

חשמל

לאלקטרון יש מטען חשמלי שלילי של C $\ 1.6\cdot\mbox{10}^{-19}$, ומסה של Kg $\ 9.11\cdot\mbox{10}^{-31}$, או $\ 0.51 \mbox{MeV}/\mbox{c}^2$, שהם החלק ה-1/1836 ממסת הפרוטון.

מעריכים שמספר האלקטרונים ביקום הוא $\ 10^{79}$. כשאלקטרונים נעים, חופשיים מגרעיני אטומים, וישנה זרימה, הזרימה נקראת חשמל או זרם חשמלי, ומתקיימת אם קיים מתח חשמלי בין שני קצותיו של המעגל החשמלי. ניתן למדוד מטען חשמלי בעזרת אלקטרומטר. זרם חשמלי ניתן למדוד בעזרת גלוונומטר.

קיימת גם תופעה הקרויה "חשמל סטטי", ובשמה המדויק יותר, "מטען סטטי", התופעה מתייחסת לגוף שיש בו יותר או פחות אלקטרונים מהמספר הדרוש כדי לאזן את המטען החיובי של הגרעין. כשיש עודף אלקטרונים, נאמר על הגוף שהוא "טעון שלילית". כאשר יש פחות אלקטרונים מאשר פרוטונים, נאמר על הגוף שהוא "טעון חיובית". כאשר מספר האלקטרונים ומספר הפרוטונים שווה, נאמר על הגוף שהוא "נייטרלי".

רמות עירור

בשנת 1913 הציע המדען נילס בוהר, שלאלקטרונים יש מספר רמות אנרגיה קבועות שבהן הם יכולים להימצא. הוא הסביר זאת בכך שהאנרגיה היא תוצאה של התנע הזוויתי של תנועת האלקטרון, ובכך שיש מספר מסלולים (או "קליפות") קבוע לכל סוג אטום, שבהם האלקטרונים יכולים להיות, כלומר שהאלקטרונים נמצאים תמיד בקליפה אחת מבין מספר קליפות, וכל קליפה נמצאת במרחק קבוע מהגרעין. הרעיון דומה למרחקים הקבועים של כדורי הלכת במערכת השמש, ולכן יש המכנים גישה זו "הגישה הפלנטרית". כמו כן הציע בוהר שלכל אטום, אם לא הופעל עליו כוח כלשהו, ישנם אלקטרונים הנמצאים בכל אחת מרמות העירור הקבועות הללו. על ידי בליעת פוטון או תוך שחרור פוטון, יכול האלקטרון לעבור מרמת עירור אחת לשנייה. בכך הסביר בוהר את קווי הספקטרום האופייניים למימן. בשנים מאוחרות יותר הוסבר הדבר בפירוט. אלקטרון הסופג אנרגיה מפוטון, משדה אלקטרומגנטי או מהתנגשות עם חלקיקים אחרים (בדרך כלל אלקטרונים גם הם), נכנס למצב של אלקטרון מעורר. הוא נשאר במצב זה זמן קצר ביותר, וחוזר לרמה נמוכה יותר, תוך שחרור פוטון (במקרה של אטום סתמי - ללא מטען), או תוך שחרור אלקטרון אחר (לעתים במקרה של יון).

קשרים קוולנטיים, וספין

בשנת 1916 הציע המדען גילברט לואיס ניוטון דגם המסביר את הקשר הכימי המצוי בין אטומים בהופכם למולקולה בכך ששני האטומים משתפים אלקטרון ברמה החיצונית להם. ב-1919 הציע המדען האמריקני אירווינג לנגמאיר פירוש לדגם של לואיס, בכך שהאלקטרונים נמצאים תמיד בצמדים בכל רמת עירור, כאשר לכל אחד מהאלקטרונים אזור אליפטי קבוע, ושהקשרים בין האטומים נוצרים על ידי שיתוף אחד עד ארבעה אזורים אלו. ב-1923 וולטר הייטלר ופריץ לונדון השלימו את ההסבר בתיאור מדויק על פי תורת הקוונטים שהייתה אז בחיתוליה. ב-1924 המדען האוסטרי וולפגנג פאולי הסביר את המבנה הבדיד של רמות העירור האלקטרוניים בנוסחה בעלת ארבעה מקדמים, המגדירים כל מצב אנרגיה קוואנטית של האטום. לפי נוסחה זו, יכול להיות אך ורק אלקטרון אחד בכל מצב אנרגיה קוואנטית. תנאי זה נקרא מאוחר יותר "עקרון ההדרה של פאולי". המקדם האחרון בנוסחה יכול לקבל שני מצבים, וההסבר הפיזיקלי לכך ניתן רק בשנת 1927 בידי פרופסור שמואל אברהם גודשמיד‏‏ וצוותו, כאשר הציעו שלאלקטרון יש גם אנרגיה השמורה בסיבוב שלו סביב צירו הוא. סיבוב זה יכול להיות באחד משני כיוונים. סיבוב זה נודע מאוחר יותר כ"ספין".

גילוי האלקטרון

מקור המושג "אלקטרון" הוא בגילוי של היוונים כי חומר שנקרא "ענבר" ששופשף בצמר משך אליו גופים אחרים. הפיזיקאי ג' ג' תומסון הושפע מעבודותיהם של ג'יימס מקסוול ווילהלם רנטגן בנושא שפופרת קתודית. הוא הסיק שהקרינה הנפלטת מקתודה מורכבת מחלקיקים טעונים מטען שלילי, שלהם הוא קרא "גופיפים" (corpuscles), ושהיום ידועים כאלקטרונים. קדם לו ג' ג'ונסון סטוני, שהעלה השערה בדבר קיומו של האלקטרון כיחידת מידה באלקטרוכימיה, אבל תומסון הבין שהאלקטרון הוא חלקיק תת-אטומי, הראשון שנתגלה. תגליתו התפרסמה ב-1897 ועוררה התרגשות בקהיליה המדעית, והובילה בסופו של דבר לזכייתו בפרס נובל לפיזיקה בשנת 1906.

כימיה

האלקטרונים משמשים ליצירת קשר קוולנטי, שהוא סוג של קשר כימי בין אטומים. הבסיס ליצירת קשר קוולנטי הוא הנטייה של אטומים מסוימים להגיע למצב נייטרלי בדומה לאטום גז אציל באמצעות הוספת אלקטרונים. נטייה זו מתאפיינת בתכונתם של האלקטרונים סביב האטום להתפרס באורביטלים (מסלולים), שבהם עשויים להיות שני אלקטרונים לכל היותר. ברמת האנרגיה הגבוהה ביותר בכל אטום (מלבד מימן והליום) נמצאים ארבעה אורביטלים, שבהם עשויים להתקיים אורביטלים של זוגות אלקטרונים, ואורביטלים של אלקטרונים חופשיים. (ראו הרחבה בערך קשר קוולנטי).

ראו גם

• מבנה אלקטרוני
• חלקיק תת-אטומי
• פרוטון
• נייטרון
• האפקט הפוטואלקטרי
• מיון החלקיקים
• המודל הסטנדרטי
• פולריזביליות

קישורים חיצוניים

• מידע על האלקטרון מאתר ה-Particle Data Group
• דוידסון אונליין - מאגר מדע: חלקיקי החומר - האלקטרון סרטון עם הסברים.

חלקיקים בפיזיקה - חלקיקים יסודיים - לפטונים
חלקיקים: אלקטרון | מיואון | טאו | נייטרינו אלקטרוני | נייטרינו מיואוני | נייטרינו טאואוני אנטי-חלקיקים: פוזיטרון | אנטי-מיואון | אנטי-טאו | אנטי-נייטרינו אלקטרוני | אנטי-נייטרינו מיואוני | אנטי-נייטרינו טאואוני