Elektroni

Wikipedia
Loikkaa: valikkoon, hakuun
Elektroni
Tyhjiöputki, jossa esineen kuva heijastetaan putken päätyyn elektronisäteen avulla.
Tyhjiöputki, jossa esineen kuva heijastetaan putken päätyyn elektronisäteen avulla.
Rakenne Alkeishiukkanen
Perhe Fermioni
Ryhmä Leptoni
Sukupolvi Ensimmäinen
Vuorovaikutus Painovoima
Sähkömagneettinen
Heikko vuorovaikutus[1]
Antihiukkanen Positroni
Löydetty teoreettisesti Richard Laming (1838–1851)
Löydetty J. J. Thomson (1897)
Symboli e
Massa

9,109 382 15 × 10−31 kg
0,510 998 910 MeV/c2

5,485 799 09 × 10−4 u[2]
Sähkövaraus

−1 e[1]

−1,602 176 487× 10−19 C[2]
Spin ½[1]

Elektroni on alkeishiukkanen, jolla on 1,6021773 × 10−19 coulombin eli yhden alkeisvarauksen suuruinen negatiivinen sähkövaraus.[3] Sen massa on 9,1093897 × 10−31 kg (0,51 MeV/c2). Elektronin spin on 1/2 eli se on fermioni. Sen spinistä aiheutuva magneettinen momentti on −9.284764 × 10−24 J/T. Elektroni on kevein varautunut leptoni. Muut sähkövaraukselliset leptonit ovat myoni ja tau.[3]

Elektroneja on jokaisessa atomissa, jossa ne ovat sijoittuneet elektronikuorille ytimen ympärille. Kvanttimekaanisessa atomimallissa elektroneja kuvataan aaltofunktioilla, jotka selittävät havaitut elektronien ominaisuudet. Yksittäisen elektronin energiatilaa kuvataan tässä teoriassa kvanttilukujen avulla.

Yleistä[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Elektronia merkitään tavallisesti e. Elektronin antihiukkanen on positroni e+, joka on positiivista sähkövarausta lukuun ottamatta identtinen elektronin kanssa. Elektroni tuntee kaikki muut perusvuorovaikutukset paitsi vahvan vuorovaikutuksen eli värivoiman.

Mikäli elektronin massan ajatellaan johtuvan kokonaan sen sähköstaattisesta potentiaalienergiasta, voidaan sen säteelle klassisen sähköstatiikan ja suhteellisuusteorian perusteella laskea arvo (klassinen elektronin säde) r = 2,8179 · 10-15 m.[4]

Elektronisäteily, jota kutsutaan myös katodisäteilyksi, on aineen atomeista ionisaatiossa irronneita elektroneja. Elektroniputket ja elektronimikroskooppi toimivat tyhjiössä lentävien elektronien avulla. Elektronisäteilyä syntyy myös neutronin ja monien radioaktiivisten ydinten hajotessa, missä tapauksessa siitä käytetään nimitystä beetasäteily.

Metalliatomeista uloimmat elektronit irtoavat helposti. Metallijohtimissa sähkövirta onkin juuri elektronien liikettä. Myös eristeaineista voi elektroneja irrota ja siirtyä kappaleesta toiseen etenkin niitä hangattaessa, jolloin kappaleet saavat staattisen sähkövarauksen. Kappale, johon täten syntyy elektronien vajaus, saa positiivisen varauksen, ja se, johon niitä on kertynyt ylimääräisiä, negatiivisen.

Elektroniikassa käytettyjen komponenttien toimintaa kuvaava teoria on nimeltään elektronifysiikka.

Elektronin löytäjänä pidetään brittiläistä fyysikkoa J.J. Thomsonia, joka vuonna 1896 todisti, että katodisäteily ei ole aaltoja vaan koostuu pienistä sähköllä varatuista hiukkasista. Jo sitä ennen oli kuitenkin elektrolyysiä koskevien tutkimustulosten perusteella arveltu, että on olemassa tietty pienin mahdollinen sähkövaraus, alkeisvaraus.

Elektronit ja kemia[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Elektroniorbitaaleja.

Elektronit ovat atomien osasia. Atomin ydin koostuu protoneista ja neutroneista, elektronit taas liikkuvat ydintä ympäröivässä tilassa. Elektroneita voidaan kuvata asettamalla ne elektronikuorille. Neutraalissa atomissa elektroneja on yhtä paljon kuin protoneja. Ioneissa elektroneja on joko enemmän tai vähemmän kuin protoneja. Kovalenttisesti sitoutuneissa molekyyleissä osa uloimmista elektroneista on siirtynyt atomien yhteisiksi sitoen ne toisiinsa.

Atomin elektronikuorien rakenne on keskeistä alkuaineen kemiallisten ominaisuuksien kannalta. Atomeja kuvataan kuorimallin avulla. Jos uloimmalla elektronikuorella on vain muutama elektroni, ne on helppo ottaa pois ja aine on metalli. Jos taas täydestä elektronikuoresta puuttuu vain muutama elektroni, on aine epämetalli.

Elektronit ja sähkövirta[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Elektronit ovat tavallisin sähkövirran kuljettaja. Kun tasavirtaa tuotetaan paristolla, siihen varastoitu sähkökemiallinen potentiaalienergia muuttuu elektronien liike-energiaksi. Elektronit lähtevät virtalähteen negatiivisesta navasta eli katodista ja kulkevat virtapiirin eri komponenttien kautta sen posiviitiselle navalle eli anodille. Johtimessa esiintyy energiapulsseja, jotka viime kädessä johtuvat energian kvantittumisesta.

Sähkövirran suunnaksi on aikoinaan määritelty positiivisen varauksen oletettu liikkumissuunta. Tästä määrittelystä pidetään yhä kiinni, vaikka todellisuudessa negatiivisesti varautuneet elektronit liikkuvat päinvastaiseen suuntaan.

Vaihtovirrassa elektronit eivät siirry pitkiä matkoja vaan kulkevat edestakaisin johtimessa. Vaihtovirtageneraattorin synnyttämä jännite saa kuitenkin aikaan, että näin tapahtuu samanaikaisesti kaikkialla johtimessa, joten tällä tavoin energia saadaan siirretyksi pitkänkin matkan päähän.

Katso myös[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Lähteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  • Lehto Heikki, Havukainen Raimo, Leskinen Janna, Luoma Tapani: Fysiikka 8: aine ja säteily. Tammi, 2007. ISBN 978-951-26-5578-6.
  • Schumm, Brian A.: Syvällä asioiden sydämessä: Hiukkasfysiikan kauneus. Suom. Kimmo Pietiläinen. The Johns Hopkins University Press, 2004. ISBN 952-5202-91-7.

Viitteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  1. a b c Schumm 2004, s. 135
  2. a b Mohr, Peter; Taylor, Barry & Newell, David: CODATA Recommended Values of the Fundamental Physical Constants: 2006 Reviews of Modern Physics. 2006. Viitattu 6.6.2014. (englanniksi)
  3. a b Lehto Heikki, Havukainen Raimo, Leskinen Janna, Luoma Tapani: Fysiikka 8: aine ja säteily, s. 52. Tammi, 2007. ISBN 978-951-26-5578-6.
  4. Length Scales in Physics: the Classical Electron Radius math.ucr.edu. Viitattu 31.12.2012.