Az elektron (az ógörög ήλεκτρον, borostyán szóból) negatív elektromos töltésű elemi részecske, amely az atommaggal együtt kémiai részecskéket alkot, és felelős a kémiai kötésekért. Szokásos jelölése: e‒. Az elektron feles spinű lepton; a leptonok első generációjának tagja. Antirészecskéje a pozitron.
Az elektron tömege a proton tömegének 1/1836 része. Az elektronok és a többi elemi részecske kölcsönhatását a kémia és a magfizika vizsgálja. Antianyagbeli párja, a pozitron tömege és spinje megegyezik az elektronéval, azonban töltése ellentétes. Ha pozitron és elektron találkozik, energia felvillanás során mindkettő szétsugárzódik, és gamma-foton jön létre.
Normális körülmények között az elektronok az atomok pozitív magjához kötődnek, mivel az ellentétes elektromos töltések vonzzák egymást. Egy semleges atomban az elektronok száma azonos a mag pozitív töltéseinek számával. Egy atomon belül az elektronok szabályosan elrendezett pályákon mozognak a mag körül, a mag és az elektronok közti vonzás legyőzi az elektronok közt fellépő taszító hatást. Az elektronpályák koncentrikus héjakba rendeződnek, és a magtól kifelé haladva egyre több az alhéj. A magtól való távolságtól függően a héjakban lévő elektronok kötése egyre lazább. Az elektronok elrendeződése meghatározza az atom méretét, és hatással van arra, hogy reagál más atomokra, részecskékre és az elektromágneses sugárzásra. Az ionizáció és a részecskék közötti arány megváltozása megváltoztatja a rendszer kötési energiáját. Két vagy több atom között az elektronok kicserélése vagy megosztása kémiai kötést hoz létre. Fontos szerepet tölt be kémiai reakciók legnagyobb csoportjában, a redoxireakciókban.
Mivel spinje félegész szám a ħ Planck-állandóban mérve, a fermionok közé tartozik, így a Pauli-féle kizárási elv miatt két elektron nem foglalhatja el ugyanazt a kvantumállapotot. Ahogy a többi anyagi részecskének, az elektronnak is van hullámtermészete; így ütközhet más részecskékkel, és megtörhet, mint a fény. Hullámtermészete egyszerűbben vizsgálható, mert kis tömege miatt a De Broglie-féle hullámhossza is magasabb a tipikus energiaszinteken.
Több fizikai jelenségben is kulcsfontosságú, így az elektromosságban, a mágnesességben, és a hővezetésben. Továbbá hat rá a többi alapvető erő: a gravitáció, az elektromágnesesség és a gyenge kölcsönhatás. Negatív töltése miatt az elektron elektromos erőteret hoz létre maga körül. Egy megfigyelőhöz képest mozogva mágneses mezőt hoz létre. A külső elektromágneses terek a Lorentz-törvény szerint hatnak rá. Részt vesz a magreakciókban is, például a csillagokban zajló fúzióban, és radioaktív bomlási folyamatokban is létrejön, ahol béta-részecskeként ismert. Nagy energiájú ütközések is elektronokat hoznak létre, például a kozmikus sugarak, amikor elérik a légkört. Gyorsításkor fotonok formájában vesz fel és ad le energiát. Laboratóriumi eszközökben akár egyetlen elektron vagy elektronplazma is tartható és megfigyelhető elektromágneses mezővel. Teleszkópokkal a külső elektronplazma is megfigyelhető.
Sok alkalmazásban felhasználják, mint az elektronikában, a hegesztésben, a katódsugárcsövekben, az elektronmikroszkópokban, a sugárterápiában, a lézerekben vagy a részecskegyorsítókban.
Először Richard Laming feltételezte 1838-ban az elektromos töltés egy láthatatlan egységét, hogy megmagyarázza az atomok kémiai viselkedését. George Johnstone Stoney nevezte el elektronnak ezt az elemi töltésegységet. Az elnevezés a görög elektron szóból származik, amely jelentése borostyánkő. A görögök borostyánkövet dörzsöltek meg más anyaggal, és tapasztalták az elektromos vonzó tulajdonságát. Kísérleti kimutatása 1897-ben Joseph John Thomsonnak sikerült először.Dahl (1997:122–185).
+ Az elektron adatai (CODATA alapján) Elektromos töltés−e = −1,602 176 487(40) C Nyugalmi tömeg5,485 799 0943(23) u = 9,109 382 15(45) kg Relatív töltés −1 Relatív tömeg 1 / 1836 Moláris tömeg 5,485 799 0946(22) kg mol−1 Nyugalmi energia0,510 998 910(13) MeV = 8,187 104 38(41) J Mágneses momentum −928,476 377(23) J T−1 Spin 1/2 (fermion) g-faktor −2,002 319 304 3622(15) Élettartam stabil
Története Már az ókori görögök felfedezték, hogy a borostyán vonzza az apró tárgyakat, ha bundával dörzsölik. A villámlás mellett ez az emberiség egyik legrégibb tapasztalata az elektromosságról. 1600-ban az angol William Gilbert a De Magnete című értekezésében erre a jelenségre alapozva megalkotta az újlatin electricus szót.
Az 1700-as évek elején Francis Hauksbee és a francia Charles François de Cisternay du Fay egymástól függetlenül felfedezték a dörzsölési elektromosság kétféle típusát. Az egyik az üveg, a másik a gyanta megdörzsölésével hozható létre. Du Fay elmélete szerint itt kétféle elektromos folyadék van, amelyek dörzsöléssel elválaszthatók, és semlegesítik egymást, ha összeérnek. Egy évtizeddel később Benjamin Franklin szerint egyféle folyadék van, kétféle nyomással. Tőle származik a pozitív és a negatív elnevezés is. Szerinte a pozitív a töltéshordozó, de nem szólt arról, hogy melyik állapotban van hiány, és melyikben fölösleg.
Richard Laming angol természetfilozófus 1838 és 1851 között alkotta meg atommodelljét, amiben az atomok magból és szubatomi töltéshordozó részecskékből állnak. 1846-tól a német William Weber szerint az elektromosságot pozitív és negatív folyadékok alkotják, és az inverz négyzet törvénye szerint hatnak kölcsön. Az ír George Johnstone Stoney 1874-ben tanulmányozta az elektrolízist; ez kialakította benne az elemi töltés gondolatát, ami megegyezik egy egyszeres töltésű ion töltésével. Mérései alapján meg is becsülte ezt a mennyiséget az elektrolízis Faraday-féle törvénye alapján. Ő azonban azt hitte, hogy ez a töltés nem távolítható el az atomból. Hermann von Helmholtz 1881-ben amellett érvelt, hogy a pozitív és a negatív elektromosság is elemi részecskékből áll, amelyek az elektromosság atomjaiként működnek.
Stoney electrolionnak nevezte az elemi töltésegységet 1881-ben. Tíz év múlva a nevet electronra változtatta. Így írt erről: Becslés készült az elektromosságnak ennek a figyelemre méltó egységnek az aktuális mennyiségéről, aminek az elektron nevet javaslom. Volt egy javaslat 1906-ban, hogy a nevet elektrolionra kell visszaváltoztatni, ám Hendrik Lorentz előnyben részesítette az elektron nevet. A név az electric és az ion szavak kombinációjából keletkezett,"electron, n.2". OED Online. March 2013. Oxford University Press. Accessed 12 April 2013 de azóta az elektron szóból eredeztethető -on végződés más elemi részecskék nevének végén is megjelent, például proton, neutron. Felfedezése right|bélyegkép|A Crookes-cső katóddal szemközti fala az elektronok hatására zölden fluoreszkál, a csőben lévő fémlap árnyékot okoz right|thumb|alt=Gömb alakú vákuumcső belsejében egy fénylő körrel |Fénylő elektronáram, ami körbe hajlik a mágneses mező hatására
A német Johann Wilhelm Hittorf ritkított gázok elektromos vezetését vizsgálta. 1869-ben a katódról induló izzást figyelt meg, ami annál erősebb volt, minél ritkább volt a gáz. 1876-ban a német Eugen Goldstein megmutatta, hogy ezek a sugarak árnyékot vetnek, és elnevezte őket katódsugárnak.Dahl (1997:55–58). Az 1870-es években az angol William Crookes előállította az első katódsugárcsövet, vákuummal a belsejében. Ezzel megmutatta, hogy a fénylő sugarak a katódról indulnak az anód felé, és energiát szállítanak. Ezután sikerült mágneses mezővel meghajlítani a katódsugarakat, megerősítve, hogy a sugarak negatív töltésűek.Dahl (1997:64–78). 1879-ben kifejtette, hogy ez egy sugárzó anyaggal magyarázható. Szerinte ez az anyag negyedik halmazállapota, ami negatív töltésű összetett ionokból áll, amik nagy sebességgel vetődnek ki a katódból az anód felé.
A német földön született, de az Egyesült Királyság polgárává lett Arthur Schuster folytatta Crookes kísérleteit. Két fémlapot helyezett el a katódsugarakkal párhuzamosan, és elektromos feszültséget állított elő a kettő közül. A katódsugarak a pozitív feszültségű lemez felé hajlottak el, ezzel újra megerősítették, hogy a katódsugarak negatív töltésűek. Adott erősségű áram mellett az elhajlást mérve Schuster 1890-ben megbecsülte a sugarak töltés/tömeg arányát. Mivel a kapott érték mintegy ezerszerese volt a vártnak, a legtöbben hibára gyanakodtak, és nem hitték el ezt az eredményt.Dahl (1997:99).
1892-ben Hendrik Lorentz azt sugallta, hogy az elektronok tömege a töltésük következménye.Frank Wilczek: "Happy Birthday, Electron " Scientific American, June 2012.
1896-ban az angol Joseph John Thomson, John Sealy Townsend és H. A. Wilson kísérleteikből arra jutottak, hogy a katódsugarakat elemi részecskék alkotják, és nem hullámok, vagy ionok, mint ahogy korábban gondolták. Thomson pontos becslést kapott mind a tömegre (m), mind a töltésre (e), ahol is a tömeg csak ezredrésze a legkönnyebb ionnak, a hidrogénnek. Azt is megmutatta, hogy az e/m arány független a katód anyagától. Továbbá a radioaktív bomlás, a hevítés és a megvilágítás hatására is ugyanilyen részecskék lépnek ki. Az ír George F. Fitzgerald újra javasolta az elektron megnevezést, és ez el is terjedt.
A természetes fluoreszkáló ásványok tanulmányozása közben Henri Becquerel felfedezte, hogy sugárzást bocsátanak ki akkor is, ha kívülről nem nyernek energiát. Ezek a radioaktív anyagok az érdeklődés középpontjába kerültek. Ernest Rutherford felfedezte, hogy részecskéket bocsátanak ki. Ezeket alfa- és béta-részecskéknek nevezte, arra utalva, hogy milyen mértékben képesek áthaladni az anyagon. 1900-ban Becquerel a rádium béta-sugarait elektromos mezővel elhajlította, és kimutatta, hogy tömeg/töltés arányuk ugyanaz, mint a katódsugarak részecskéinek. Ez erősítette azt a nézetet, hogy az elektronok az atomok részei.Buchwald and Warwick (2001:90–91).
thumb|140px|Robert Millikan
Az elektron töltését az amerikai Robert Millikan és Harvey Fletcher mérte meg pontosabban 1909-es olajcseppkísérletükben, aminek eredményeit 1911-ben publikálták. Ebben elektromos mezővel lebegtettek egy elektromosan feltöltött olajcseppet. Az eszközzel 1-150 ion töltését tudták megmérni kevesebb mint 0,3%-os hibával. Korábban Thomson csapata is végzett hasonló kísérletet az elektrolízis által feltöltött vízcseppekből álló köddel. 1911-ben Abram Ioffe fémek elektromosan töltött mikroporával szintén hasonló kísérletet végzett, és függetlenül Millikantől és Fletchertől hasonló eredményt kapott a töltésre. Eredményeit 1913-ban publikálta. Original publication in Russian: Az olajcseppek alkalmasabbak erre a kísérletre, mint a vízcseppek, mert az olaj lassabban párolog, így a hosszabb ideig tartó kísérletben pontosabb eredményekhez lehet jutni.
A 20. század elején felfedezték, hogy a gyorsan mozgó részecskék bizonyos körülmények között kondenzációs csíkot húznak a túltelített vizes oldatban. 1911-ben Charles Wilson ezen az elven ködkamrát készített, amiben le tudta fényképezni a részecskék nyomait, így a gyors elektronokét is.
Atomelmélet 1914-ben Ernest Rutherford, Henry Moseley, James Franck és Gustav Hertz kísérletek alapján belátták, hogy az atomok kicsi, de nehéz pozitív töltésű magból és könnyű elektronokból állnak. 1913-ban a dán Niels Bohr azt az elméletet javasolta, hogy az elektronok csak bizonyos energiaszinteket foglalhatnak el, ezért nem zuhannak a magba. Az ezek által meghatározott pályák között ugrálhatnak. Amikor egy magasabb szintről alacsonyabb szintre lépnek, akkor a különbség fotonként távozik. Ezzel az elmélettel sikerült megmagyaráznia a hidrogén színképét, de adós maradt a nehezebb atomok spektrumával és a színképvonalak relatív fényességével.