O (do grego ήλεκτρον, élektron, "âmbar") é uma partícula elementar, de símbolo ou , com carga elétrica negativa. Pertence à primeira geração da família dos léptons, e considera-se que são partículas elementares porque não possuem componentes conhecidos. A massa do elétron é aproximadamente 1/1836 da massa do próton. As propriedades quânticas do elétron incluem um momento angular intrínseco (spin) fracionário, o que significa que é um férmion. Portanto, dois elétrons não podem ocupar o mesmo estado quântico, de acordo com o princípio da exclusão de Pauli. Como toda matéria, possui propriedades de ondas e de corpúsculos: pode colidir com outras partículas, mas também pode ser difratado, assim como a luz. As propriedades ondulatórias dos elétrons são mais fáceis de se observar experimentalmente do que as de outras partículas como os nêutrons e prótons porque os elétrons têm uma massa menor e assim um comprimento de onda de Broglie maior.
Os elétrons desempenham um papel essencial em muitos fenômenos físicos, tais como a eletricidade, o magnetismo e a condutividade térmica. Os elétrons estão sujeitos à ação de três interações fundamentais da natureza: a gravidade, a força eletromagnética e a força fraca. Por ter carga elétrica, um elétron gera um campo elétrico em sua vizinhança. Quando se move em relação a um observador gera também um campo magnético. Campos eletromagnéticos externos afetam um elétron por meio da força de Lorentz. Elétrons irradiam energia na forma de fótons quando acelerados. Elétrons são também essenciais em muitas aplicações tecnológicas, tais como a eletrônica, a soldagem, os tubos de raios catódicos, a microscopia eletrônica, a radioterapia, os lasers, os detectores de radiação ionizante e os aceleradores de partículas.
Interações envolvendo elétrons e outras partículas subatômicas são de interesse da química e da física nuclear. A interação entre os prótons, localizados no núcleo atômico, e os elétrons por meio da força de Coulomb é responsável pela estrutura do átomo. As ligações químicas são devidas à troca ou compartilhamento de elétrons entre dois ou mais átomos. O filósofo natural Richard Laming foi o primeiro a teorizar o conceito de uma carga elétrica de quantidade indivisível para explicar as propriedades químicas dos átomos em 1838. O físico George Johnstone Stoney nomeou esta carga como ‘electron’ em 1891, enquanto que Joseph John Thomson e sua equipe identificaram a partícula em 1897.Dahl (1997:122–185). Os elétrons também podem participar em reações nucleares, tais como a nucleossíntese estelar, onde são conhecidos como partículas beta. Elétrons podem ser criados a partir do decaimento beta de isótopos radioativos e em colisões de alta energia, por exemplo quando os raios cósmicos entram na atmosfera terrestre. A antipartícula do elétron é denominada pósitron; tem muitas características idênticas às do elétron, mas sua carga elétrica é positiva. Quando um elétron colide com um pósitron, ambas as partículas são totalmente aniquiladas, produzindo fótons de raios gama.
História e descobrimento do elétron
Os gregos antigos observaram que o âmbar atraía pequenos objetos quando friccionado com a lã. Junto com o raio, este fenômeno é uma das primeiras observações registradas com a eletricidade. Em seu tratado De Magnete, publicado em 1600, o cientista inglês William Gilbert cunhou o termo em neolatim , para se referir a esta propriedade de atração de pequenos objetos após a fricção. Ambas as palavras elétrico e eletricidade são derivadas da forma latina (que também é a raiz para a liga metálica de mesmo nome), que veio da palavra grega para o âmbar, ().
No início do século XVII, Francis Hauksbee e Charles François du Fay descobriram de modo independente o que eles acreditavam ser dois tipos de eletricidade, uma gerada a partir da fricção do vidro, e a outra da fricção da resina de âmbar. A partir disto, Du Fay teorizou que a eletricidade consistia de dois fluidos elétricos, vítreo e resinoso, que são separados pela fricção e que se neutralizam quando combinados. Uma década depois, Benjamin Franklin propôs que a eletricidade não era constituída por dois tipos de fluidos elétricos, mas pelo mesmo fluido sob diferentes pressões. Ele deu a eles a nomenclatura atual de carga positiva e negativa. Franklin imaginou que os portadores de carga fossem positivos.
Entre 1838 e 1851, o filósofo britânico Richard Laming desenvolveu a ideia de que o átomo seria composto de um núcleo de matéria cercado por partículas subatômicas com carga elétrica unitária. No início de 1846, o físico William Weber postulou que a eletricidade era composta de cargas fluidas positivas e negativas e que a interação entre elas seria descrita pela lei do inverso do quadrado. Após estudar o fenômeno da eletrólise em 1874, o físico George Johnstone Stoney sugeriu a existência de uma "quantidade de eletricidade singular definida", a carga de um íon monovalente. Ele foi capaz de estimar o valor desta carga elementar e por meio da lei de Faraday da eletrólise. Entretanto, Stoney acreditava que essas cargas estariam permanentemente ligadas aos átomos e que não poderiam ser removidas. Em 1881, o físico Hermann von Helmholtz argumentou que tanto as cargas negativas quanto as positivas seriam subdivididas em partes elementares que "comportam-se como átomos de eletricidade".
Em 1881, Stoney criou o termo , mas dez anos depois adotou a palavra para descrever estas cargas elementares, escrevendo em 1894: "... uma estimativa foi feita para o valor correto dessa unidade fundamental notável, para a qual eu tenho desde então ousado sugerir o nome .Tradução livre de ...an estimate was made of the actual amount of this most remarkable fundamental unit of electricity, for which I have since ventured to suggest the name electron" Em 1906, uma proposta para mudar a nomenclatura para não foi bem sucedida porque Hendrik Lorentz preferiu manter a palavra . A palavra inglesa electron é uma combinação das palavras electric e ion."electron, n.2". OED Online. March 2013. Oxford University Press. Accessed 12 April 2013 O sufixo -on passou então a ser utilizado no nome de outras partículas subatômicas, tais como proton e neutron.
Descoberta direita|thumb|alt=Um tubo de vácuo de vidro redondo com um raio circular brilhando no interior|Um raio de elétrons defletidos em um círculo por um campo magnético.
Em 1869, o físico Johann Wilhelm Hittorf estudava a condutividade elétrica em gases rarefeitos e descobriu um brilho emitido do cátodo que aumentava em tamanho com a redução da pressão do gás. Em 1876, o físico Eugen Goldstein demonstrou que os raios deste brilho formavam uma sombra, e os apelidou de raios catódicos.Dahl (1997:55–58). Durante a década de 1870, o físico e químico Sir William Crookes desenvolveu o primeiro tubo de raios catódicos com um vácuo no interior. Ele então demonstrou que os raios luminescentes aparecendo dentro do tubo carregavam energia e se moviam do cátodo para o ânodo. Além disso, ao aplicar um campo magnético, ele foi capaz de defletir os raios, assim demonstrando que os raios se comportavam como se fossem carregados negativamente.Dahl (1997:64–78). Em 1879, propôs que estas propriedades poderiam ser explicadas pelo que ele denominou 'matéria radiante'. Ele então sugeriu que este seria o quarto estado da matéria, consistindo de moléculas carregadas negativamente que eram projetadas com alta velocidade a partir do cátodo.
O físico Arthur Schuster realizou um experimento similar ao de Crookes, colocando placas de metal paralelas aos raios catódicos e aplicando um potencial elétrico entre as placas. O campo defletia os raios em direção a placa carregada positivamente, fornecendo maiores evidências que os raios carregavam cargas negativas. Através da medição da quantidade de deflecção para um dado nível de corrente elétrica, em 1890, Schuster foi capaz de estimar a relação massa-para-carga dos componentes dos raios. Todavia, isto resultou em um valor que era mais de mil vezes superior ao que era esperado, então foi dado pouco crédito aos seus cálculos na época.Dahl (1997:99).
Em 1892, Hendrik Lorentz sugeriu que a massa destas partículas (elétrons) poderia ser consequência de sua carga elétrica.Frank Wilczek: "Happy Birthday, Electron" Scientific American, June 2012.
Em 1896, o físico J. J. Thomson, com seus colegas John S. Townsend e Harold A. Wilson, executaram experimentos indicando que os raios catódicos eram partículas únicas, aos invés de ondas, átomos ou moléculas como era acreditado anteriormente. Thomson fez boas estimativas tanto da carga e e da massa m, descobrindo que as partículas dos raios catódicos, que ele chamou de "corpúsculos", teriam talvez um milésimo da massa do menor íon conhecido: o hidrogênio. Ele demonstrou que a relação carga para massa, e/m, era independente do material do cátodo. Também demonstrou que as partículas carregadas negativamente produzidas por materiais radioativos, pelo aquecimento de materiais e pelos materiais luminosos eram universais. O nome foi novamente proposto para estas partículas pelo físico George Fitzgerald, e o nome então ganhou aceitação universal. thumb|265x265px|Robert Millikan
Enquanto estudava a fluorescência natural de minerais em 1896, o físico Henri Becquerel descobriu que eles emitiam radiação sem nenhuma exposição a uma fonte externa de energia. Estes materiais radioativos se tornaram o interesse de muitos cientistas, incluindo o físico Ernest Rutherford que descobriu que eles emitiam partículas. Ele denominou estas partículas como alfa e beta, com base na sua capacidade de penetrar a matéria. Em 1900, Becquerel demonstrou que os raios beta emitidos pelo rádio podiam ser defletidos por um campo elétrico, e que a relação massa-para-carga era a mesma que para os raios catódicos. Esta evidência fortaleceu a visão de que os elétrons existiam como componentes dos átomos.Buchwald and Warwick (2001:90–91).
A carga do elétron foi medida com mais cuidado pelos físicos Robert Millikan e Harvey Fletcher em sua experiência da gota de óleo de 1909. Este experimento usou um campo elétrico para prevenir uma gota de óleo carregada de cair pela ação da gravidade. Este dispositivo podia medir a carga elétrica de tão poucos íons quanto de 1 a 150, com uma margem de erro de menos de 0,3%. Experimentos comparáveis feitos anteriormente pela equipe de Thomson, utilizando nuvens de gotas de água carregadas geradas pela eletrólise, e em 1911 por Abram Ioffe, obtiveram de modo independente o mesmo resultado que Millikan usando micropartículas de metal carregadas, cujos resultados foram em 1913. Original publication in Russian: Todavia, gotas de óleo eram mais estáveis do que de água por causa de sua baixa taxa de evaporação, e assim eram mais adequadas para a experimentação por longos períodos de tempo.
No início do século XX, foi descoberto que sob certas condições uma partícula carregada se movimentando rapidamente causava a condensação de vapor de água supersaturada ao longo do seu caminho. Em 1911, Charles Wilson empregou este princípio para criar a câmara de nuvens para que pudesse fotografar os caminhos destas partículas, tais como os elétrons em alta velocidade.
Teoria atômica direita|thumb|alt=Três círculos concêntricos sobre um núcleo, com um elétron se movendo do segundo para o primeiro e liberando um fóton|O Modelo atômico de Bohr, mostrando os estados dos elétrons com energia quantizada pelo número n. Um elétron caindo para as órbitas inferiores emite um fóton com a mesma energia entre os orbitais.