Elektron (e- veya β- simgeleri ile gösterilir), eksi bir temel elektrik yüküne sahip bir atomaltı parçacıktır. Lepton parçacık ailesinin ilk nesline aittir ve bileşenleri ya da bilinen bir alt yapıları olmadığından genellikle temel parçacıklar olarak düşünülür. Kütlesi, protonunkinin yaklaşık 1/1836'sı kadardır. Kuantum mekaniği kapsamında, indirgenmiş Planck sabiti (ħ) biriminde ifade edilen yarım tam sayı değerinde içsel açısal momentuma (spin) sahiptir. Fermiyon olmasından ötürü, Pauli dışarlama ilkesi gereğince iki elektron aynı kuantum durumunda bulunamaz. Diğer temel parçacıklar gibi hem parçacık hem dalga özellikleri gösterdiğinden diğer parçacıklarla çarpışabilir ya da kırınıma uğrayabilir. Elektronlar; elektrik, manyetizma, kimya ve ısı iletkenliği gibi çeşitli fizik fenomeninde temel rol oynamalarının yanı sıra; kütleçekimsel, elektromanyetik ve zayıf kuvvetlerde de yer alır. Yüklü olmalarından dolayı kendilerini çevreleyen bir elektrik alanı bulunur ve gözlemciye göre hareket etmesi sonucunda bir manyetik alan oluşturur. Diğer kaynaklar tarafından oluşturulan manyetik alanlar, Lorentz kuvveti kanunu gereğince elektronların hareketlerini etkiler. Elektronlar, radyasyona maruz kaldıklarında ya da hızlandırıldıklarında enerjiyi fotonlar şeklinde soğurabilir ya da yayabilir. Laboratuvar aletleri ile elektronların tek tek ya da elektromanyetik alanlar kullanılarak elektron plazmasından yakalanması ve özel teleskoplar aracılığıyla dış uzaydaki elektron plazmasının saptanması mümkündür. Elektronlar; elektronik, kaynak, katot ışını tüpleri, elektron mikroskopları, radyoterapi, lazerler, gaz iyonlaştırma sayaçları ve parçacık hızlandırıcıları gibi alanlarda kullanılırlar. Atom çekirdeği içindeki pozitif yüklü protonlar ile dışındaki negatif yüklü elektronlar arasındaki Coulomb kuvveti etkileşimleri, atomları oluşturur. İyonlaşma ve parçacıkların özelliklerinde değişimler sistemin bağlanma enerjisini değiştirir. İki veya daha fazla atom arasında elektronların değişimi veya paylaşımı, kimyasal bağları meydana getirir. İlk olarak 1838 yılında Richard Laming tarafından atomların kimyasal özelliklerini açıklamak için elektron yükünün bölünemez bir özelliğinin olması kavramı hipotez olarak ortaya atılmıştır. Johnstone Stoney 1891 yılında bu yüke elektron adını vermiş, J. J. Thomson ve ekibi ise 1897 yılında onu parçacık olarak tanımlamıştır. Beta parçacıkları olarak bilinen elektronlar, yıldız nükleosentezi gibi süreçlerde nükleer reaksiyonlara katılır. Kozmik ışınların Dünya atmosferine girmeleri gibi yüksek enerjili çarpışmalarda ve radyoaktif izotopların beta bozunması yoluyla elektron oluşabilir. Pozitron olarak adlandırılan elektronun antiparçacığı, zıt simgeli elektrik ve diğer yükleri taşıması dışında elektronla aynıdır. Bir elektron ile bir pozitronun çarpışması sonucunda, her iki parçacık da gama ışını fotonları üreterek annihilasyona uğrayabilirler.
Tarihi
Elektrik kuvveti ile yüklerin keşfi
Antik Yunanlar kehribarın kürk ile sürtünmesi sonrasında küçük nesneleri çektiğini fark ettiler. Bu olgu, şimşekle birlikte insanlığın elektrik hakkında kayıtlara geçmiş ilk deneyimiydi. 1600'de yayımlanan De Magnete adlı eserinde William Gilbert, Yunancada kehribar anlamına gelen ἤλεκτρον (elektron) kelimesi kökenli, Latincede de aynı anlamı taşıyan electrum kelimesinden, sürtünme sonrası küçük nesneleri çekme özelliğini tanımlayan Yeni Latince electricus kelimesini türetti. Thomas Browne'un 1646'da yayımlanan Pseudodoxia Epidemica adlı eserinde, aynı köklerden hareketle İngilizcedeki electricity ifadesi ilk defa kullanıldı. Elektrik kelimesi Türkçeye, Fransızcada da aynı anlamı taşıyan électrique kelimesinden geçti. 1733'te yayımlanan Sur l'électricité adlı eserinde Charles François de Cisternay du Fay, yüklü altın varağın ipek sürtülen cam tarafından itildiğini, aynı yüklü altın varağın yün sürtülen kehribar tarafından ise çekildiğini gözlemlediğini yazdı. Buradan yola çıkarak du Fay, elektriğin camsal ve kehribarsal adlarını verdiği iki tür akıştan oluştuğu sonucuna vardı. Bu iki akışkan birleştirildiğinde birbirini etkisiz hâle getiriyordu. Bir müddet sonra Ebenezer Kinnersley de bağımsız olarak aynı sonucu elde etti. On yıl sonra Benjamin Franklin, elektriğin iki farklı tür akıştan değil, fazlalık (+) ya da eksiklik (-) durumlarıyla aynı akıştan kaynaklandığını tespit ederek bunlara modern yük gösterimleri olan pozitif ve negatif adlarını verdi. Franklin, yük taşıyıcısını pozitif olarak varsaydı ancak hangi durumda yük fazlalığı, hangi durumda yük eksikliği olduğunu tanımlayamadı. 1838 ve 1852 yılları arasında Richard Laming, atomların birim elektrik yüklerine sahip atomaltı parçacıklarla çevrelendiğini ve maddenin özünü bu yapının oluşturduğunu öne sürdü. Johnstone Stoney, elektroliz fenomenine dair çalışmalarının ardından 1874'te, "elektriğin tek kesin özelliği" olduğunu ve bunun da tek değerlikli iyonun yükü olduğunu öne sürdü. Faraday'in elektroliz kanunları aracılığıyla bu temel yükün (e) değerini tahmin edebilse de, bu yüklerin atomlara sabitlenmiş olduğuna ve ayrılamayacağına inanıyordu. 1881'de Hermann von Helmholtz, hem pozitif hem negatif yüklerin "elektriğin atomları gibi davranan" temel parçalara ayrıldığı fikrini ortaya attı. 1881'de Stoney, elektroliyon (electrolion) terimini bu temel yükleri adlandırmak için kullandı. 1894 tarihli yazısında: "...elektron (electron) adını önermeye teşebbüs ettiğim elektriğin bu en dikkat çekici temel biriminin gerçek miktarının bir tahmini yapıldı" ifadeleriyle terimin adını değiştirdi. 1906 yılında önerilen elektriyon (electrion) kelimesi, Hendrik Lorentz'in elektron'u kullanmaya devam etmesi nedeniyle kabul görmedi. Elektron kelimesi, elektrik ve iyon kelimelerinin birleşimiyle oluşturulmuştu. Günümüzde, atomaltı parçacıkları tanımlamak için kullanılan -on eki de elektron kelimesinden sonra kullanılmaya başlandı.
Madde dışındaki serbest elektronların keşfi
Seyreltilmiş gazlarda elektrik iletkenliği üzerine çalışmalarda bulunan Julius Plücker, 1859 yılında, katottan yayılan radyasyonun yol açtığı fosforesans ışığın, katodun yanındaki tüpte ortaya çıktığını ve bu ışığın, uygulanan manyetik alana bağlı olarak hareket ettiğini gözlemledi. 1869'da Johann Wilhelm Hittorf, katot ile tüpün duvarları arasında koyduğu katı bir cismin bir gölge oluşturduğunu tespit etti. 1876'da Eugen Goldstein, bu cismin gölgesinin cisimden daha büyük boyutlarda olduğunu gözlemleyerek fosforesansı oluşturan ışınların katottan direkt bir yol izleyerek geldiğini belirledi ve bu ışınlara katot ışını (Almanca: Kathodenstrahlen) adını verdi. 1869-1875 yılları arasında William Crookes, içerisine yüksek vakum olan bir tüp geliştirdi. 1874'te, katot ışınlarının izlediği yola yerleştirilen bir çarkın, ışınların etkisiyle döndüğünü gözlemleyerek bu ışınların momentum taşıdığını ve katottan anoda doğru hareket ettiğini ortaya koydu. Işınlara uyguladığı manyetik alan sayesinde ışınları saptırarak bu ışınların negatif yüklüymüş gibi davrandığını tespit etti. 1879'da bu özelliklerin, "radyant madde" olarak tanımladığı kavramla açıklanabileceğini ve maddenin, negatif yüklü ve yüksek hızla katottan yayılan moleküller dahil dört durumu olduğunu ileri sürdü. Arthur Schuster, katot ışınlarına paralel iki metal levha yerleştirip levhalar arasında bir elektrik potansiyeli uygulayarak Crookes'un deneyini geliştirdi. Işınların, alanın etkisiyle pozitif yüklü levhaya doğru sapmasıyla negatif yük taşıdığı kanıtlanmış oldu. 1890'da, akımın verilen seviyesi için sapma miktarını ölçerek ışın bileşenlerinin kütle-yük oranını tahmin etti. Ancak bu elde edilen değer beklenenin bin katından fazlaydı, bu nedenle o dönemde hesaplamaları yaygın biçimde kabul görmedi. 1892'de Hendrik Lorentz, bu parçacıkların (elektronların) kütlelerinin, onların elektrik yüklerinden kaynaklanabileceği fikrini ortaya attı.
1896'da floresans mineraller üzerinde çalışmalar yürüttüğü sıralarda Henri Becquerel, bu minerallerin hiçbir dışsal enerji kaynağına maruz kalmadan radyasyon yaydıklarını keşfetti. Sonrasında Ernest Rutherford, bu radyoaktif malzemelerin parçacık yaydığını tespit ederek bu parçacıkları, maddeye nüfuz etme özelliklerine göre alfa ve beta olarak adlandırdı. 1900'de Becquerel, radyumun yaydığı beta ışınlarının bir elektrik alanı tarafından saptırılabildiğini ve kütle-yük oranlarının katot ışınlarındakinin aynısı olduğunu belirledi. Bu bulgu, elektronların atomların bileşenleri olduğu düşüncesine bir kanıt oluşturuyordu. 1897'de J. J. Thomson, John Townsend ve Harold Wilson, o döneme dek düşünülenin aksine katot ışınlarının dalga, atom veya molekülden farklı ve özgün parçacıklar olduğunu gösteren deneyler yaptı. Thomson, katot ışınlarını oluşturan parçacıkların bilinen en hafif iyon olan hidrojeninkinin binde biri kadar olan kütlesinin (m) ve yükünün (e) doğru bir tahminini yaptı. Yük-kütle oranının (e/m) katodun malzemesinden bağımsız olduğunu gösterdi. Ayrıca, radyoaktif, sıcak veya aydınlatılmış malzemeler tarafından üretilen negatif yüklü parçacıkların evrensel olduğunu gösterdi. Elektron ismi bir kez daha, Johnstone Stoney tarafından bu parçacıklar için önerildi ve ilerleyen dönemde evrensel olarak kabul gördü. 1909'da gerçekleştirdikleri ve sonuçları 1911'de yayımlanan yağ damlası deneyi sonrasında Robert A. Millikan ve Harvey Fletcher, elektronların yüklerini daha hassas bir şekilde ölçtüler. Deneyde, yüklü yağ damlacıklarının yerçekimi nedeniyle düşmesini önlemek için elektrik alanı kullandı. Bu araç sayesinde %0,3'ten az bir hata payıyla, 1-150 kadar az iyonun elektrik yükü ölçülebildi. Benzer deneyler de elektroliz tarafından yönetilen yüklü su damlacıkları bulutları kullanarak Thomson'ın ekibi tarafından daha önce yapılmıştı. 1911'de ise Abram İoffe'nin, metallerin yüklü mikroparçacıklarını kullanarak yaptığı ve Millikan ile aynı sonuca bağımsız olarak ulaştığı deneylerin sonuçları 1913'te yayımlandı. 20. yüzyılın başlarında, belirli koşullar altında hızlı hareket eden yüklü parçacığın yolu boyunca aşırı doymuş su buharı yoğunluğuna yol açtığı keşfedildi. 1911'de Charles Wilson'ın tasarladığı bulut odasında bu prensip kullanıldı ve böylelikle hızlı hareket eden elektronlar gibi yüklü parçacıkların izleri fotoğraflanabildi.
Atom teorisi
Ernest Rutherford, Henry Moseley, James Franck ve Gustav Hertz'in 1914'e kadar yaptıkları deneylerle, bir atomun yapısı düşük kütleli elektronla çevrili ve pozitif yüklerin yer aldığı yoğun bir çekirdeği olarak tanımladı. 1913'te Niels Bohr, elektronların çekirdekle ilgili elektron yörüngelerinin açısal momentumlarıyla belirlenen enerjiyle beraber belli bir dereceye kadar enerji içeren durumlarda bulunduğunu tespit etti. Elektronlar, belli sıklıklardaki protonların yayılması veya emilmesi ile bu durumlar ve yörüngeler arasında hareket edebildiğini belirledi. Bu kuantumlanmış yörüngeler aracılığıyla, hidrojen atomunun bu spektrum çizgilerini açıkladı. Fakat Bohr'un modeli bu spektrum çizgilerinin göreli yoğunluklarını hesaplamada yanıldı ve daha karmaşık atomların spektrumlarını açıklada başarılı olamadı. Atomların arasındaki kimyasal bağlar 1916 yılında, iki atom arasındaki kovalent bağın aralarında paylaştıkları elektron çiftleri tarafından korunduğunu ileri süren Gilbert Lewis tarafından açıklandı. 1927'de, Walter Heitler ve Fritz London tarafından, elektron çiftlerinin oluşumu ile kimyasal bağların, kuantum mekaniği bağlamında tam açıklaması gerçekleştirildi. 1919'da, Lewis'in statik atom modelini inceleyen Irving Langmuir, elektronların ardışık "konsentirik (neredeyse) küresel kabuklara dağılmış ve tamamının eşit kalınlıkta" olduğunu öne sürdü. Kabukları, her biri birer elektron çifti içeren birkaç hücreye böldü. Bu modelle Langmuir, genellikle kendilerini periyodik kurallara göre tekrar eden periyodik tablodaki bütün elementlerin niteliksel olarak kimyasal özelliklerini açıklamayı başardı. 1924'te Wolfgang Pauli, atomların kabuk benzeri yapılarının her durum birden fazla elektron tarafından belirlenmedikçe her kuantum enerji durumunu tanımlayan dört parametreyle açıklanabileceğini gözlemledi. Bu aynı kuantum enerji durumunu kaplayan birden fazla elektrona karşı yasaklama olayı, Pauli dışarlama ilkesi olarak kullanıma geçti. İki farkı mümkün değere sahip dördüncü parametreyi açıklamak için kullanılan fiziksel mekanizma, 1925'te yörüngenin açısal momentumuna ek olan bir elektronun bir içsel açısal momentumu ve manyetik dipol momenti olduğunu belirten Samuel Goudsmit ve George Uhlenbeck tarafından belirlendi Bu içsel açısal momentum, ilerleyen dönemlerde spin olarak adlandırıldı ve yüksek çözünürlüklü spektrografla gözlemlenen spektrum çizgilerinin daha önceleri nedeni bilinmeyen ve sonradan ince yapı bölünmesi olarak adlandırılan bir şekilde bölünmesini açıkladı.
Kuantum mekaniği
1924 tarihli Recherches sur la théorie des quanta adlı çalışmasında Louis de Broglie, bütün maddelerin ışık gibi bir dalgaya sahip olduğunu ileri sürdü. Bulgulara göre, uygun koşullar altındaki elektronlar ve diğer maddeler ya dalga ya da parçacık özellikleri gösteriyordu. Bir parçacığın parçacık özellikleri, verilen anda onun gezingesi boyunca uzayda yerleştirildiği konumu olduğu gösterilince ortaya çıkar. 1927'de yaptıkları deneylerle George Thomson, metal bir folyodan elektron demetinin geçmesiyle; Clinton Davisson ile Lester Germer ise nikel kristalinden elektronların yansımasıyla elektronun girişim etkisini keşfetti. De Broglie'nin elektronların dalga yapısı öngörüsü sonrasında Erwin Schrödinger, atom çekirdeğinin etkisi altında hareket eden elektronlar için 1926'da oluşturduğu dalga denklemiyle elektron dalgalarının nasıl yayıldığını tanımladı. Zamanla bu denklem, elektronun kesin konumunu veren bir çözüm sağlamaktan ziyade, özellikle elektron dalga denkleminin zamanla değişmediği uzayda bağlı elektronun olduğu bir pozisyona yakın bir elektron bulunması için de kullanıldı. Bu yaklaşım ikinci bir kuantum mekaniği formülasyonunun oluşturulmasına (ilki 1925'te Werner Heisenberg tarafından yapılmıştı) ve Heisenberg'inki gibi Schrödinger denkleminin çözümleri 1913'te Bohr tarafından elde edilenlere eşit olan ve hidrojen spektrumunu ürettiği bilinen hidrojen atomundaki bir elektronun enerji durumlarının türetilmesine olanak sağladı. Spin ve çoklu elektronlar arasındaki etkileşimin tanımlanmasının ardından, kuantum mekaniği sayesinde hidrojenden daha yüksek atom numarasına sahip atomlardaki elektronların diziliminin öngörülmesi mümkün kılındı. 1928'de Paul Dirac, Wolfgang Pauli'nin çalışmasını temel alarak görelilik teorisiyle uyumlu olan, kuantum mekaniğinin elektromanyetik alanlar için Hamilton formülasyonuna görelilikle uyumlu ve simetrik bir yaklaşım uygulayarak Dirac denklemi olarak adlandırılan bir elektron modeli oluşturdu. Göreli denklemdeki bazı sorunları çözme amacıyla 1930'da, negatif enerjili parçacıklardan oluşan sonsuz bir deniz olan ve sonraları Dirac denizi olarak adlandırılan bir vakum modeli geliştirdi. Bu sayede elektronun benzer antimaddesi pozitronun varlığını öngördü. Bu parçacık 1932'de, standart elektronlara negaton adını veren ve elektron kelimesini pozitif ve negatif yüklü parçacıkları tanımlamak için kullanmayı öneren Carl Anderson tarafından keşfedildi. 1947'de, Robert Retherford ile birlikte çalışan Willis Lamb, bir hidrojen atomunun aynı enerjiye sahip olması gereken belli kuantum durumlarında, sonraları Lamb kayması olarak adlandırılan farklılıklar yaşandığını buldu. Henry Foley ile birlikte çalışmalarını yürüten Polykarp Kusch 1948'de, elektronun manyetik momentinin Dirac'ın teorisi tarafından öngörülenden daha büyük olduğunu buldu. Anormal manyetik dipol moment olarak adlandırılan aradaki fark 1948'de Julian Schwinger tarafından açıklandı.
Parçacık hızlandırıcılar
20. yüzyılın ilk yarısında parçacık hızlandırıcıların geliştirilmesiyle, atomaltı parçacıkların özelliklerine ilişkin araştırmalar derinleşti. Elektronları elektromanyetik indüksiyon yoluyla hızlandırmaya yönelik ilk başarılı deneme, 1940'ta Donald Kerst tarafından gerçekleştirildi. Kerst, geliştirdiği betatron ile 2,3 MeV enerjiye ulaşmayı başardı. 1947 yılında General Electric'te, 70 MeV enerjili bir elektron sinkrotronunda sinkrotron radyasyonu keşfedildi. Bu radyasyon, elektronların manyetik alana doğru neredeyse ışık hızında hareket etmeleri sonucu ortaya çıkmıştı. İlk yüksek enerji çarpıştırıcı olan ADONE, 1968 yılında 1,5 GeV enerjili demetlerle hizmete girdi. Bu aygıt, elektronları ve pozitronları zıt yönlerde hızlandırarak çarpışma enerjisini tek bir durağan hedefe çarpan elektronunkinin yaklaşık iki katına çıkarıyordu. 1989-2000 yılları arasında faaliyette bulunan Avrupa Nükleer Araştırma Merkezindeki Büyük Elektron-Pozitron Çarpıştırıcısı, 204 GeV'ye ulaşan çarpışma enerjileri elde edilmesini sağladı.
Özellikleri
Sınıflandırması
Parçacık fiziğinin Standart Model'inde elektronlar, temel parçacıklar olduğu kabul edilen lepton adlı atomaltı parçacık grubuna dahildir. Temel parçacıkların birinci nesline ait elektronlar, yüklü tüm leptonlar ve elektrik yüklü diğer temel parçacıklar arasında en düşük kütleye sahiptir. İkinci ve üçüncü nesillere ait yüklü leptonlar olan müon ve tau; yük, spin ve etkileşim özellikleri bakımından elektronlarla özdeş olmakla birlikte daha büyük kütleye sahiptir. Leptonlar, maddenin diğer temel bileşenlerinden olan kuarklardan, güçlü etkileşime katılmamaları bakımından ayrılır. Lepton grubunun tüm üyeleri gibi elektronlar da yarım tam sayı değerinde spine (1/2) sahip olduklarından fermiyon olarak sınırlandırılır.
Temel özellikleri
Elektronun durgun kütlesi 9,1093837015(28)×10-31 kilogram ya da 5,48579909065(16)×10-4 atomik kütle birimidir. Albert Einstein'ın kütle-enerji eşdeğerliği ilkesine göre bu kütle, 0,51099895000(15) MeV durgun enerjiye karşılık gelir. Protonun kütlesinin elektronunkine oranı yaklaşık 1836'dır. Astronomik gözlemler, bu oranın Standart Model'de öngörüldüğü üzere en azından evrenin yaşının yarısı boyunca sabit kaldığını gösterir. Elektronlar, -1,602176634×10-19 coulomb elektrik yüküne sahiptir. Deneysel hassasiyet sınırları içinde elektronun yükü, protonunkine eşit büyüklükte ve zıt işaretlidir. Temel yük için e simgesinin kullanılması nedeniyle elektron, genellikle negatif yükü temsil eden eksi işaretiyle birlikte e- şeklinde gösterilir. Elektronla aynı özelliklere sahip ancak elektronun aksine pozitif yüklü olan antiparçacığı pozitron ise e+ şeklinde gösterilir. Elektronların, spin olarak adlandırılan içsel açısal momentumu 1/2'dir. Bu spin değerine sahip parçacıklar için spin büyüklüğü ±ħ/2 kadardır ve herhangi bir eksendeki spinin izdüşüm ölçümlerinin sonuçları yalnızca √3/2 ħ olabilir. Spine ek olarak elektron, spin ekseni boyunca içsel bir manyetik momente sahiptir. Bu değer, yaklaşık olarak bir Bohr magnetonuna karşılık gelen 9,2847647043(28)×10-24 joule/tesla büyüklüğündedir. Elektronun momentumu doğrultusunda spinin yönünün tanımlanması, temel parçacıkların sarmallık olarak bilinen özelliğini ifade eder. Elektronun bilinen bir alt yapısı yoktur ve uzamsal bir kapsamı olmayan, noktasal yüke sahip bir nokta parçacık olarak kabul edilir. Klasik fizikte bir nesnenin açısal momentumu ve manyetik momenti, nesnenin fiziksel boyutlarına bağlıdır. Elektronun boyutsuz kabul edilmesi, paradoksal bir durum yaratır ve elektronun sonlu, sıfırdan farklı bir yarıçapa işaret eden Penning tuzağı deneyleriyle çelişiyor gibi görünebilir. Elektronun yarıçapı konusu, modern teorik fizikte birtakım sorunlara yol açar. Elektronun sonlu bir yarıçapa sahip olduğu hipotezinin kabulü, görelilik teorisinin önermeleriyle uyumsuzdur. Öte yandan, nokta benzeri (sıfır yarıçaplı) bir elektron varsayımı, elektronun öz enerjisinin sonsuzluğa gitmesi nedeniyle matematiksel zorlulara yol açar. Bir Penning tuzağında tutulan tek bir elektron için, parçacığın yarıçapının üst sınırının 10-22 metre olduğunu gözlemlenmiştir. Enerji belirsizliği ilkesi kullanılarak üst sınırın 10-18 metre olduğu da öne sürülebilir. Protonun yarıçapından daha büyük olan ve yaklaşık 2,8179×10-15 m değerine sahip "klasik elektron yarıçapı" adı verilen bir fiziksel sabit de tanımlanmıştır. Ancak bu değer, kuantum mekaniği etkilerini göz ardı eden basitleştirilmiş bir hesaplamadan elde edildiği için elektronun yapısıyla ilgili gerçeği yansıtmaz. Elektron, bazı temel parçacıkların aksine teorik temellerde kararlıdır ve daha küçük bozunmaz. Sıfırdan farklı elektrik yüküne sahip parçacıklar arasında en düşük kütleye sahip olan elektronun bozunması, elektrik yükü korunumunun ihlal edilmesi anlamına gelir. Elektronun deneysel olarak belirlenen ortalama yaşam süresi için alt sınır, %90 güven düzeyinde 6,6×1028 yıldır.
Kuantum özellikleri
Tüm parçacıklar gibi elektronlar da dalga benzeri davranış sergileyebilir. Bu olgu dalga-parçacık ikiliği olarak adlandırılır ve çift yarık deneyiyle gösterilebilir. Elektronun dalga benzeri yapısı, klasik parçacıklardan farklı olarak tek bir yarıktan geçiyormuş gibi değil, paralel yarıkların her ikisinden aynı anda geçmesine olanak tanır. Kuantum mekaniğinde bir parçacığın dalga benzeri durumu genellikle ψ simgesiyle gösterilir ve karmaşık değerli dalga fonksiyonu ile matematiksel olarak tanımlanır. Bu fonksiyonun mutlak değerinin karesi alındığında, parçacığın belirli bir konumun yakınında gözlemlenme olasılığının yoğunluğu elde edilir.
Elektronlar, içsel özellikleri bakımından birbirlerinden ayırt edilemedikleri için özdeş parçacıklardır. Kuantum mekaniğinde bu durum, etkileşen bir elektron çiftinin konumlarının yer değiştirmesinin, sistemin durumunda gözlemlenebilir herhangi bir değişikliğe yol açmaması anlamına gelir. Elektronlar dâhil fermiyonların dalga fonksiyonu antisimetriktir. Bu nedenle, r1 ve r2 sırasıyla birinci ve ikinci elektronu göstermek üzere, iki elektron yer değiştirdiğinde dalga fonksiyonu ψ(r1, r2) = -ψ(r2, r1) denklemine göre elektronların işaretleri de değişir. İşaret değişimine rağmen dalga fonksiyonunun mutlak değeri değişmediğinden olasılıklar aynıdır. Antisimetri durumunda, elektronların etkileşimi için dalga denkleminin çözümleri, bir elektron çiftinin aynı konumu veya aynı kuantum durumunu paylaşmasını sıfır olasılıklı kılar. Bir atomda bağlı elektronların aynı yörüngede çakışmak yerine farklı yörüngelerde bulunması, iki elektronun aynı kuantum durumunda yer almasını engelleyen Pauli dışlama ilkesiyle açıklanır.
Sanal parçacıklar
Her foton bir süreliğine, sonrasında hızlıca annihilasyona uğrayan sanal elektron ile antiparçacığı sanal pozitronu birlikte barındıracak şekilde var olur. Enerji çeşitliliğinin birleşiminin bu parçacıkları üretmesi ve var oldukları süre boyunca, ΔE · Δt ≥ ħ formülüyle belirsizlik ilkesinde açıklanan keşfedilebilirlik eşiğine dahil olması gerekse de gerçekte, bu sanal parçacıkların üretimi için gerekli enerji olan ΔE, Δt boyunca vakumdan "ödünç" alınır ve bu sayede ürünleri indirgenmiş Planck sabitinden (ħ ≈ 6,6×10-16 eV·s) daha büyük olamaz. Bu durumda, sanal bir elektron için Δt değeri en fazla 1,3×10-21 s olabilir. Sanal bir elektron-pozitron çifti oluştuğunda, bir elektronu çevreleyen elektrik alanından kaynaklanan Coulomb kuvveti, özgün elektronun oluşan pozitronu çekmesine, oluşan elektronu ise itmesine neden olur. Bu süreç sonucunda vakum kutuplaşması olarak adlandırılan olgu ortaya çıkar. Bu bağlamda vakum, birden büyük dielektrik geçirgenliğe sahip bir ortam gibi davranır. Bu nedenle elektronun ölçülen etkin yükü, gerçek yük değerinden daha küçük olur ve elektronun merkezinden uzaklaştıkça bu etkin değer azalır. Bu kutuplaşma etkisi, 1997 yılında TRISTAN parçacık hızlandırıcısında gerçekleştirilen çalışmalarla deneysel olarak doğrulanmıştır. Sanal parçacıklar, elektronun kütlesi için de benzer bir perdeleme etkisi oluşturur. Sanal parçacıklarla etkileşimler, elektronun içsel manyetik momentinin Bohr magnetonundan yaklaşık %0,1 oranında sapmasını da açıklar. Noktasal bir parçacık olan elektronun içsel açısal momentuma ve manyetik momente sahip olması, klasik fizikte bir paradoks oluştur. Bu durum, elektronun oluşturduğu elektromanyetik alandaki sanal fotonların varlığıyla açıklanabilir. Bu sanal fotonlar, titreşim hareketi olarak adlandırılan elektronların konum dalgalanmalarına yol açar. Bu hareket, elektronun hem spin hem de manyetik moment değerini etkiler. Atomlarda gerçekleşen bu sanal parçacık süreçleri, spektrum çizgilerinde gözlenen Lamb kaymasını da açıklar.
Etkileşim
Bir elektronun oluşturduğu elektrik alanı, pozitif yüklü parçacıklara çekme, negatif yüklü parçacıklara ise itme kuvveti uygular. Bu kuvvetin büyüklüğü Coulomb kanunuyla belirlenir. Elektronlar, hareket hâlindeyken çevrelerinde bir manyetik alan oluştururlar. Manyetik alan ile elektronların düzenli hareketi sonucu oluşan elektrik akımı arasındaki ilişki Ampère kanunu ile açıklanır. Elektromanyetik indüksiyonun bu özelliği, bir elektrik motorunu harekete geçiren manyetik alanın oluşmasını sağlar. Hızlanan ya da keyfi bir biçimde hareket eden yüklü bir parçacığın elektromanyetik alanı, parçacığın hızı ışık hızına görece yakın olduğunda dahi geçerli olan Liénard-Wiechert potansiyelleriyle tanımlanır. Manyetik bir alana doğru hareket eden bir elektron, hızı ile manyetik alana bağlı olan ve hareket düzlemine dik yönde etki eden Lorentz kuvvetine maruz kalır. Bu merkezcil kuvvet nedeniyle elektron, eylemsizlik yarıçapı denilen bir yarıçapa sahip olacak şekilde alana doğru sarmal bir yörünge izler. Bu eğimli hareketin ivmesi, elektronun sinkrotron radyasyonu biçiminde enerji yaymasına yol açar. Elektronun kendi alanının, kendisi üzerindeki karşı tepkiden kaynaklanan ve Abraham-Lorentz-Dirac kuvveti olarak adlandırılan sürtünme kuvveti ise elektronu yavaşlatır.
Fotonlar, yüklü parçacıklar arasındaki elektromanyetik etkileşimi taşırlar. Sabit hızla hareket eden ve izole edilmiş bir elektronun, enerji ve momentumun korunumu kanunlarını ihlal etmeden gerçek bir fotonu soğurması ya da yayması mümkün değildir. Bunun yerine sanal fotonlar, iki yüklü parçacık arasında momentum aktarımı gerçekleştirir. Sanal fotonların bu değişimi Coulomb kuvvetinin ortaya çıkmasına yol açar. Hareket eden bir elektronun, proton gibi yüklü bir parçacık tarafından saptırılması durumunda elektromanyetik enerji salınımı gerçekleşebilir. Elektronun ivmelenmesi, frenleme radyasyonunun salınımıyla sonuçlanır. Bir foton ile serbest bir elektron arasında gerçekleşen esnek olmayan çarpışmaya Compton saçılması denir. Bu etkileşim sırasında parçacıklar arasında momentum ve enerji aktarımı gerçekleşir ve fotonun dalga boyu, Compton kayması olarak adlandırılan miktar kadar artar. Bu dalga boyu değişiminin alabileceği en büyük değer, Compton dalga boyu olarak bilenen h/mec formülüyle tanımlanır ve elektronlar için bu değer yaklaşık 2,43×10-12 m kadardır. Işığın dalga boyu uzadıkça (örneğin görülebilen ışığın dalga boyu 0,4-0,7 μm'dir) dalga boyu kayması daha ihmal edilebilir hâle gelir. Düşük enerjili fotonlar ile serbest elektronlar arasındaki bu etkileşim, Thomson saçılması olarak adlandırılır. Elektron ve proton gibi iki yüklü parçacık arasındaki elektromanyetik etkileşimin göreli gücü, ince yapı sabiti ile verilir. Bu sabit, bir Compton dalga boyu uzaklığında iki yüklü parçacık arasındaki elektrostatik etkileşimin enerjisinin, elektronun durgun enerjisine oranı olarak tanımlanabilen boyutsuz bir niceliktir. α ≈ 7,297353×10-3 şeklindeki bu değer yaklaşık olarak 1/137'e eşittir. Elektronlar ile pozitronlar çarpıştığında, toplam enerjisi en az 1,022 MeV olan iki ya da daha fazla gama ışını fotonu oluşturarak birbirlerini yok ederler. Elektron ve pozitronun ihmal edilebilecek derecede bir momentuma sahip olmaları durumunda, annihilasyon tamamlanmadan önce bir pozitronyum atomu da oluşabilir. Diğer yandan yüksek enerji bir foton, çift üretimi denilen süreç sonrasında, momentumun korunabilmesi için bir atom çekirdeği gibi yakındaki bir yüklü parçacığın varlığında birer elektron ve pozitrona dönüşebilir. Elektrozayıf etkileşim teorisine göre, elektronun dalga fonksiyonun solak bileşeni ile elektron nötrino bir zayıf izospin çifti meydana getirir ve bu, zayıf etkileşimler süresince elektron nötrinolarının zayıf etkileşimler altında elektronla aynı izospin çifti içinde davrandıkları anlamına gelir. Bu çiftin herhangi bir üyesi, bir W bozonu yayarak ya da emerek bir yüklü akım etkileşimine maruz kalabilir ve çiftin diğer üyesine dönüşebilir. Bir yük taşıyan W bozonunun dönüşüm sırasında net yükü sıfırlaması nedeniyle bu reaksiyon boyunca yük korunur. Yüklü akım etkileşimleri, radyoaktif bir atomdaki beta bozunmasından sorumludur. Hem elektron ve hem de elektron nötrinosu, Z0 değişimi sayesinde nötr akım etkileşimine maruz kalmakta ve bu sayede nötrino-elektron esnek saçılması ortaya çıkar.
Atom ve moleküllerdeki davranışları
Elektronlar, çekici Coulomb kuvveti aracılığıyla bir atom çekirdeğine bağlanabilirler. Bir çekirdeğe bağlı bir ya da daha fazla elektronun oluşturduğu sisteme atom; elektron sayısı atom çekirdeğinin elektrik yükünden farklı olan atomlara ise iyon denir. Bağlı elektronun dalga benzeri davranışı, atomik yörünge kavramıyla açıklanır. Her yörüngenin kendisine ait enerji, açısal momentum ve açısal momentumun uzaydaki izdüşümü gibi kuantum sayıları vardır ve yalnızca bu yörüngelerin ayrık enerji düzeylerine karşılık gelen durumları çekirdek etrafında var olabilir. Pauli dışarlama ilkesine göre her bir yörünge, spin kuantum sayıları zıt olan en fazla iki elektron içerebilir. Elektronlar, iki enerji düzeyi arasındaki potansiyel farkına karşılık gelen enerjide fotonların soğurulması ya da yayılmasıyla farklı yörüngelere aktarılabilirler. Elektronlar ya da diğer parçacıklarla gerçekleşen çarpışmalar ve Auger etkisi yoluyla bu aktarımlar meydana gelebilir. Bir elektronun atomdan kopması için, onu çekirdeğe bağlayan bağlanma enerjisinden daha büyük bir enerji gerekir. Bu durum, enerjisi atomun iyonlaşma enerjisini aşan bir fotonun elektron tarafından soğurulmasıyla gerçekleşen fotoelektrik etkisi yoluyla ortaya çıkabilir. Elektronların yörüngesel açısal momentumu kuantumlanmıştır. Yüklü bir parçacık olmasından dolayı elektron, yörüngesel açısal momentuma orantılı bir manyetik moment de oluşturur. Atomun net manyetik momenti, çekirdek ve tüm elektronların spin manyetik momentlerinin vektörel toplamına eşittir. Çekirdeğin manyetik momenti, elektronlarınkine kıyasla ihmal edilebilir düzeydedir. Aynı yörüngede yer alan ve zıt spinlere sahip elektronların (çiftlenmiş elektronlar denir) manyetik momentleri birbirlerini yok eder. Atomlar arasındaki kimyasal bağlar, kuantum mekaniğiyle tanımlanan elektromanyetik etkileşimlerin bir sonucu olarak ortaya çıkar. Atomlar arasında elektron paylaşımı ya da aktarımıyla meydana gelen en güçlü bağlar, molekülleri oluşturur. Bir moleküldeki elektronlar birden fazla çekirdeğin etkisi altında hareket eder ve moleküler yörüngelerin yanı sıra izole atomların yörüngelerinde de yer alabilirler. Bu moleküler yapılardaki temel etmen, elektron çiftlerinin varlığıdır. Bu elektronlar, zıt spinli olduklarından Pauli dışarlama ilkesini ihlal etmeden aynı moleküler yörüngede bulunabilirler. Moleküler yörüngelerdeki elektron yoğunlukları, farklı uzamsal dağılımlarına sahiptir. Örneğin, atomları bir araya bağlayan çiftler gibi bağlı çiftlerdeki elektronlar, çekirdeklerin arasındaki görece küçük hacimli bölgede daha yüksek yoğunlukta bulunur. Buna karşılık, bağlı olmayan elektron çiftleri çekirdek çevresindeki görece büyük hacimli bölgeye dağılmıştır.
İletkenlik
Bir yapının çekirdeklerindeki proton sayısı elektron sayısından fazlaysa yapı pozitif, tersi durumda ise negatif yüklüdür. Elektron ve protonların sayısı aynı ise yükleri birbirlerini dengeler ve yapı elektriksel olarak nötr hâle gelir. Makroskobik cisimler sürtünme ile elektriklenebilir. Vakumda hareket eden ve herhangi bir bağlanma etkisine maruz kalmayan elektronlar serbest elektron olarak adlandırılır. Metallerdeki elektronlar da serbestlermiş gibi davranır. Gerçekte ise metal ve diğer katılardaki elektron olarak adlandırılan parçacıklara sanki elektron denir ve gerçek elektronlar ile aynı elektrik yükü, spin ve manyetik momente sahip olmalarına karşın kütleleri farklı olabilir. Hem metal hem de vakumdaki serbest elektronlar hareket ettiklerinde, manyetik alan üreten ve elektrik akımı olarak adlandırılan net bir yük akışı oluştururlar. Manyetik alan değişimi ile de elektrik akımı yaratılabilir. Bu etkileşimler matematiksel olarak Maxwell denklemleriyle tanımlanır. Belirli bir sıcaklıkta her malzeme, uygulanan elektrik potansiyeline karşı oluşan akımın büyüklüğünü belirleyen bir elektrik iletkenliğine sahiptir. Dielektrik malzemelerde elektronlar, atomlarına bağlıdır ve bundan ötürü malzemeler yalıtkan gibi davranır. Çoğu yarı iletken malzeme, yalıtkanlar ile iletkenler arasında yer alan ara iletkenlik değerlerine sahiptir. Metaller ise kısmen dolu elektronik bantlarına sahip bir elektronik yapı segiler. Bu bantların varlığı, metallerdeki elektronların serbest veya yöresizleşmiş elektronlarmış gibi davranmalarına yol açar. Bu elektronlar belli atomlarla ilişkilendirilmemiş olduklarından, bir elektrik alanı uygulandığında, serbest elektronlara benzer şekilde malzemeye doğru, gaz gibi (Fermi gazı denir) gibi hareket edebilirler. Bir iletkendeki elektronların Sürüklenme hızı, atomlar ile çarpıştıklarından dolayı saniyede milimetreler bazındadır. Malzemenin bir noktasındaki akımın değişmesi ile diğer bölümlerindeki akımların da değişmesine neden olan hız faktörü, ışık hızının %75'i kadardır. Bu durum elektrik sinyallerinin, malzemenin dielektrik sabitine bağımlı bir hızla dalga gibi yayılması nedeniyle gerçekleşir. Hareket alanı genişleyen elektronların atomlar arasındaki ısı enerjisini taşımak için serbest bir şekilde hareket etmelerinden dolayı metaller, görece ısıyı iyi iletirler. Metallerin ısı iletkenlikleri, elektrik iletkenliklerinin aksine sıcaklıktan neredeyse bağımsızdır. Bu durum matematiksel olarak, ısı iletkenliğinin elektrik iletkenliğine oranının sıcaklıkla orantılı olduğunu söyleyen Wiedemann-Franz kanunuyla açıklanır. Metalik kafesteki ısı düzensizliği, elektrik akımına bağımlı sıcaklık üreterek metalin elektrik direncini artırır. Malzemeler, kritik sıcaklık denilen noktanın altındaki bir noktaya kadar soğutulunca, elektrik akımına karşı tüm dirençlerini kaybettikleri süperiletkenlik olarak adlandırılan faz geçişine girerler. BCS teorisinde, Cooper çifti olarak adlandırılan elektron çiftleri, fonon olarak adlandırılan örgü titreşimleriyle yakınlarında bulunan maddeyle hareketlerini eşleştirerek normalde elektrik direnci oluşturan atomlarla çarpışmaktan kaçınırlar (Cooper çiftlerinin yarıçapı 100 nm kadar olduğundan birbirleriyle üst üste binmeleri mümkündür). İletken katıların içindeki elektronlar, sözde parçacık olarak tanımlanır ve mutlak sıfıra yakın sıcaklıklarda sıkıca hapsedildiklerinde; spinon, orbiton ve holon adı verilen üç farklı sanki parçacığa ayrışmış gibi davranırlar. Elektron, teorik olarak her zaman bu üçünün oluşturduğu bir bağlı durum olarak ele alınabilir. Elektronun spinini spinon, yörüngesel serbestlik derecesini orbiton, elektrik yükünü ise holon taşır; ancak belirli koşullar altında bunlar sanki parçacıklar gibi davranabilirler.
Hareket ve enerji
Özel görelilik teorisine göre, bir elektronun hızı ışık hızına yaklaştıkça, gözlemcinin bakış açısına göre göreli kütlesi artar. Böylelikle gözlemcinin konuşlanma sistemine göre elektronu hızlandırmak gittikçe zorlaşır. Elektronun hızı, vakumdaki ışık hızına (c) yaklaşabilir ancak hiçbir zaman ulaşamaz. Göreli hızlarda (ışık hızına yakın) hareket eden elektronlar, su gibi ışığın faz hızının ışık hızından ihmal edilemeyecek kadar küçük olduğu dielektrik bir ortama girdiklerinde, geçici olarak ortamdaki ışık hızını aşabilirler. Bu koşul altında prtamla etkileşime giren elektronlar, Çerenkov radyasyonu olarak bilinen zayıf bir ışık yayar. Özel göreliliğin etkileri, Lorentz faktörü olarak bilinen ve
γ = 1
/
1 −
v
2
/
c
2
{\displaystyle \scriptstyle \gamma =1/{\sqrt {1-{v^{2}}/{c^{2}}}}}
ifadesiyle tanımlanan bir niceliğe bağlıdır. Buradaki v, parçacığın gözlemciye göre ölçülen hızını ifade eder. Bu hızda hareket eden bir elektronun göreli kinetik enerjisi Ke ise şu şekilde gösterilir:
K
e
= ( γ − 1 )
m
e
c
2
{\displaystyle \displaystyle K_{\mathrm {e} }=(\gamma -1)m_{\mathrm {e} }c^{2}}
Buradaki me, elektronun durgun kütlesidir. Örneğin, SLAC Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı'nda elektronlar yaklaşık 51 GeV enerjiye kadar hızlandırabilir. Verilen hızda elektron dalga gibi davrandığı için de Broglie dalga boyu karakterine sahiptir. Bu değer, λe = h/p denklemiyle elde edilir (h Planck sabitini, p momentumu ifade eder). 51 GeV enerjili bir elektron için elde edilen de Broglie dalga boyu, yaklaşık 2,4×10-17 m olup bu değer atom çekirdeğinden daha küçük yapıları çözümlemeye olanak tanır.
Oluşumu
Büyük Patlama teorisine göre patlamanın ilk milisaniyelerinde sıcaklık 10 milyar Kelvin'in üzerindeydi ve fotonların ortalama enerjisi bir milyon elektronvolttan yüksekti. Bu fotonlar, karşılıklı etkileşimleri sonucunda elektron-pozitron çiftleri oluşturabilmeye yeterli enerjiye sahipti. Benzer şekilde, elektron-pozitron çiftleri birbirleriyle annihilasyona uğrayarak enerjili fotonlar yaydı:
γ + γ ↔ e+ + e- Elektronlar, protonlar ve fotonlar arasındaki bu denge, evrenin evriminin bu safhası boyunca devam etti. Yaklaşık 15 saniye sonra evrenin sıcaklığı, elektron-pozitron çift üretiminin gerçekleşebileceği enerji eşiğinin altına düştü. Bu aşamada kalan elektron ve pozitronların çoğu birbirleriyle annihilasyona uğradı ve saldıkları gama radyasyonuyla evreni tekrar ısıttı. Annihilasyon süreci boyunca, bilinmeyen nedenlerden ötürü parçacık sayısı antiparçacığınkinden fazla olmasından ötürü her bir milyar elektron-pozitron çiftinden bir kadar elektron arta kaldı. Benzer olay, protonlar ile antiprotonlar arasında da yaşandı. Baryon asimetrisi olarak adlandırılan bu durum, evrenin net yükünün sıfır olmasına yol açtı. Kalan proton ve nötronlar, nükleosentez olarak bilinen süreçte birbirleriyle etkileşime girerek hidrojen ve helyum izotopları ile eser miktarda lityum oluşturdu. Bu süreç, yaklaşık 5 dakika sonrasında zirve yaptı. Arta kalan nötronlar, yaklaşık bin saniyelik yarı ömürlerinin ardından negatif beta bozunmasına maruz kalarak bir proton ve bir elektron yaydı:
n → p + e- + νe İzleyen 300.000-400.000 yıllık dönemde, fazla elektronlar atom çekirdekleriyle bağlanamayacak kadar yüksek enerjiliydi. Yeniden birleşme olarak adlandırılan sonraki evrede ise elektronlarla protonların bağlanmasıyla nötr atomlar oluştu ve genişleyen evren, radyasyona uğrayabilecek derecede saydamlaştı. Büyük Patlama'dan kabaca bir milyon yıl sonra, yıldızların birinci nesli oluşmaya başladı. Yıldızlarda gerçekleşen nükleosentez, atom çekirdeğinin füzyonu sonrasında, elektronlarla annihilasyona uğrayarak gama ışınları salan pozitronların oluşumuna neden olur. Süreç, elektron sayısında sabit bir düşüş ve nötron sayısında bununla eşdeğer bir artışla sonuçlanır. Bununla birlikte yıldız evrimi süreci, radyoaktif izotopların senteziyle de yaşanabilir. Bazı radyoaktif izotoplar, beta bozunmasına maruz kalarak atom çekirdeğinden bir elektron ve bir antinötrino yayabilir. Kobalt-60'ın (60Co) Beta bozunmasıyla nikel-60 (60Ni) oluşturması, bu sürece örnektir.
Güneş'in kütlesinin yaklaşık 20 katı kütleye sahip yıldızlar, yaşam sürelerinin sonunda kütleçekimsel çökmeye uğrayarak kara deliklere dönüşebilirler. Klasik fiziğe göre bu nesneler, elektromanyetik radyasyon dâhil olmak üzere, Schwarzschild yarıçapı içerisinden kaçınacak her şeyi engelleyecek kadar güçlü bir kütleçekim alanına sahiptir. Bununla birlikte, kuantum mekaniği etkilerinin potansiyel olarak bu mesafeden Hawking radyasyonunun yayılımına izin verdiği tahmin edilir. Elektron ve pozitronların, bu yıldız kalıntılarının olay ufkunda meydana geldiği düşünülür. Sanal bir parçacık çifti (örneğin elektron-pozitron çifti) olay ufku civarında oluştuğunda rastgele uzamsal dağılımı, bu parçacıklardan birinin dışarıda görünmesine izin verir. Bu süreç, kuantum tünelleme olarak adlandırılır. Kara deliğin kütleçekimsel potansiyeli, bu sanal parçacığın gerçek parçacığa dönüşmesi için gereken enerjiyi sağlayabilir. Buna karşılık, çiftin diğer üyesi içine düştüğü kara deliğe etkin bir biçimde negatif enerji taşır ve bu durum, kara deliğin toplam kütle enerjisinde net bir azalmaya yol açar. Hawking radyasyonunun oranı, kara deliğin kütlesi azaldıkça artar. Bu süreç, kara deliğin giderek hızlanan bir biçimde buharlaşmasına ve sonunda ani bir enerji salımıyla yok olmasına neden olabilir. Kozmik ışınlar, uzayda yüksek enerjiyle hareket eden parçacıklardır. Bu parçacıklar için ölçülen en yüksek enerji değeri 3,0×1020 eV düzeyindedir. Bu parçacıklar Dünya atmosferine girdiklerinde, atmosferdeki nükleonlarla çarpışarak pionların da dâhil olduğu parçacık sağanaklarına neden olur. Dünya yüzeyinde gözlemlenen kozmik radyasyonun yarısından fazlası, mezosferdeki pionların bozunması sonucu ortaya çıkan leptonlar olan müonlardan oluşur:
π- → μ- + νμ Müonlar da elektron ya da pozitron üreterek bozunabilirler:
μ- → e- + νe + νμ
Gözlemlenmesi
Elektronların uzaktan gözlemlenmesi için radyasyon yapan enerjilerinin saptanması gerekir. Örneğin, bir yıldızın taç küresi gibi yüksek enerjili ortamlardaki serbest elektronlar, frenleme radyasyonu nedeniyle enerji saçan bir plazma oluşturur. Elektron gazı, elektron yoğunluğundaki eşzamanlı değişimlerin yol açtığı dalgalar olan plazma salınımına maruz kalır ve radyo teleskoplar kullanarak tespit edilebilen bir enerji yayılımı üretir. Fotonların frekansları, enerjileriyle oranlıdır. Bir atomun enerji seviyelerinde geçiş yapan bağlı elektronlar, karakteristik frekanslardaki protonları emer ya da yayar. Örneğin atomlar, bir geniş spektrum kaynağı tarafından radyasyona maruz bırakıldığında, iletilen radyasyonun spektrumunda ayrı soğurma çizgileri görünür. Her element ya da molekül, hidrojen spektrumu serileri gibi karakteristik spektral çizgi grubuna sahiptir. Bu çizgilerin kuvvet ve genişliklerinin spektroskopik ölçümleri, maddenin fiziksel özelliklerinin ve bileşenlerinin tespitini sağlar. Laboratuvar koşullarında bireysel elektronlar arasındaki etkileşimler; enerji, spin ve yük gibi belirli özelliklerin ölçümüne olanak sağlayan parçacık dedektörleriyle yapılabilir. Paul ve Penning tuzaklarının geliştirilmesiyle birlikte yüklü parçacıkların daha uzun süreler boyunca küçük bir alanda tutulabilmeleri mümkün hâle geldiğinden parçacık özelliklerinin daha net ölçülebilmeye başlanmıştır. Elektronun manyetik momenti 1980'de, diğer bütün fiziksel sabitlerden daha kesin olarak 11. basamağa kadar bir hassasiyetle ölçülebilmiştir. Elektronun enerji dağılımının ilk video görüntüleri Şubat 2008'de, Lund Üniversitesindeki bir ekip tarafından kaydedildi. Deneylerde, attosaniye darbeleri olarak adlandırılan ışık parlamaları kullanılarak elektronun hareketi ilk kez gözlemlenebilmişti. Katı malzemelerdeki elektron dağılımı, açı çözümlemeli fotoemisyon spektroskopisi tarafından görselleştirilebilir. Fotoelektrik etkisini, özgün yapıyı anlayabilmek için kullanılan periyodik yapıların matematiksel bir gösterimi olan ters uzayı ölçmek için kullanan bu teknik; malzemedeki elektronların yön, hız ve dağılımlarını belirlemek için kullanılabilir.
Plazma uygulamaları
Parçacık demetleri
Elektron demetleri, kaynakta kullanılır. 0,1-1,3 mm arasındaki odak çapı boyunca, 107 W·cm-2'ye kadarki enerji yoğunluklarında elektron demetleriyle kaynak yapılabilir ve genellikle dolgu malzemesi gerektirmezler. Normalde kaynak için uygun olmayan iletken malzemeleri birleştirmek için kullanılan bu teknik, elektronların hedefe ulaşmalarından önce gazla etkileşmemesi amacıyla vakumda gerçekleştirilir. Elektron demeti litografi, mikrometreden daha küçük çözünürlüklerdeki yarı iletkenleri aşındırma yöntemidir. Görece yüksek maliyetli olması, yavaş çalışması, ışınların vakumda çalışması gerekmesi, elektronların katılardaki dağılma eğilimi olması ve 10 nm'ye kadar çözünürlük sınırı olması nedeniyle, özelleştirilmiş entegre devrelerin üretiminde kullanılır. Elektron ışınıyla işleme, fiziksel özelliklerini değiştirmek ya da tıp ve gıda ürünlerini sterilize etme amacıyla metalleri radyasyona uğratmak için kullanılır. Elektron demetleri, yoğun radyasyonda sıcaklık artışına sebep olmadan camları akışkanlaştırır ya da sözde erimesini sağlar. Örneğin yoğun elektron radyasyonu, viskozite şiddetinin ani, aktivasyon enerjisinin ise aşamalı olarak düşmesine sebep olur. Doğrusal parçacık hızlandırıcılar, elektron demetlerini üreterek tümörlerin radyoterapi yöntemiyle tedavisinde kullanılır. Elektron demetleri soğrulmadan önce belli bir sınırdaki derinliğe (5-20 MeV aralığında enerjiye sahip elektronlar için genelde 5 cm'ye kadar) kadar etki edebilmelerinden dolayı elektroterapi, bazal hücreli karsinom gibi yüzeysel deri bozukluklarının tedavilerinde de etkilidir. Elektron demetleri ayrıca, X ışınları tarafından radyasyona maruz kalmış bölgelerin tedavisinde destekleyici olarak da kullanılır. Parçacık hızlandırıcılar, elektrik alanları kullanarak elektron ve antiparçacıkların enerjilerini yükseltir. Bu parçacıklar, manyetik alanlardan geçerken sinkrotron radyasyonu yayarlar. Bu radyasyonun yoğunluğunun spine bağlı olmasının elektron demetini kutuplaştırmasına Sokolov-Ternov etkisi denir. Kutuplanmış elektron demetleri, çeşitli deneylerde kullanılır. Sinkrotron radyasyonu ayrıca, elektron demetlerinin soğutularak parçacıkların momentum yayılımlarının azaltılmasını sağlar. Elektron ve pozitron demetleri, ortaya çıkan enerjinin parçacık dedektörleriyle gözlemlenmesi için, gerekli enerjiye ulaşana kadar hızlandırılarak çarpıştırılırlar.
Görüntüleme
Düşük enerjili elektron kırınımı, kristal malzemeleri koşutlanmış elektron demeti bombardımanına tutma ve sonrasında ortaya çıkan kırınım desenlerini gözlemleyerek malzemenin yapısını belirlemek için kullanılan bir yöntemidir. Elektronların sahip olmaları gereken enerji genellikle 20-200 eV arasındadır. Yansımalı yüksek enerjili elektron kırınımı ise çeşitli dar açılardan yollanan elektron demetini kullanarak kristal malzemelerin yüzeyini belirleme yöntemidir. Demet enerjisi genellikle 8-20 keV, geliş açısı ise 1-4° aralığındadır. Elektron mikroskobu, gözlemlenmek istenen numuneye, odaklanmış elektron demeti gönderir. Bazı elektronlar, demetin malzeme ile etkileşime girmesiyle birlikte malzemenin hareket yönü, açısı ve bağıl fazı ve enerjisi gibi özelliklerini değiştirirler. Gözlemciler, elektron demetindeki bu değişimleri kaydederek malzemenin kararlı atomik görünüşünü elde ederler. Mavi ışıkta, geleneksel optik mikroskoplar yaklaşık 200 nm'lik kırınımla sınırlı çözünürlüğe sahiplerdir. Elektron mikroskopları ise elektronun de Broglie dalga boyu ile sınırlılardır. Örneğin 100.000 volt değerindeki potansiyel boyunca hızlandırılan elektronlar için dalga boyu 0,0037 nm'dir. Transmission Electron Aberration-Corrected Microscope, bireysel atomları çözümlemek için yeterli olan 0,05 nm'nin altında çözünürlük kapasitesine sahiptir. Geçirimli ve taramalı olmak üzere iki tür elektron mikroskobu vardır. Geçirimli elektron mikroskopları, bir malzeme parçasından geçen elektron demetiyle bu malzemenin yük bağlaşımlı aygıta ya da fotoğraf slayda lenslerle yansıtılmasını sağlayarak tepegöz gibi çalışırlar. Taramalı elektron mikroskopları ise televizyonda olduğu gibi çalışılmış örnekten görüntü üretmek için iyi odaklanmış elektrona raster tarama yaparlar. Magnifikasyon oranı her iki mikroskop türünde de 100× ilâ 1.000.000× arasında ya da daha fazladır. Taramalı tünelleme mikroskopları ise, keskin metal ucundan üzerinde çalışılan malzemeye kuantum tünelleme ile elektronlar yollayarak malzeme yüzeyinin atomik çözünürlüklü görüntüsünü üretirler.
Diğer
Serbest elektron lazerlerinde, göreli hızlarda hareket eden bir elektron demeti, manyetik alan yönleri periyodik olarak değişen dipol mıknatıs sıralarından oluşan salındırıcıdan geçirilir. Elektronlar, salındırıcı içinde enine salınımlar yaparken sinkrotron radyasyonu yayar ve rezonans koşulu sağlandığında yayılan elektromanyetik alanla faz uyumlu biçimde etkileşerek radyasyonun tutarlı bir şekilde güçlenmesine neden olur. Serbest elektron lazerleri, mikrodalga bölgesinden yumuşak X ışınlarına kadar uzanan frekans aralığında, yüksek parlaklık ve radyans değerlerine sahip elektromanyetik radyasyon üretebilirler. Bu tür lazerler; imalat ve haberleşme teknolojilerinin yanı sıra, yumuşak doku cerrahisi gibi çeşitli tıbbi uygulamalarda kullanılır. Elektronlar; laboratuvar aygıtları, bilgisayar ekranları ve televizyon alıcılarında görüntüleme amacıyla kullanılan katot ışını tüplerinin temel işlevsel bileşenleridir. Fotomultiper tüplerde, fotokatoda çarpan her bir foton, fotoelektrik etki yoluyla elektron salınımı başlatarak ölçülebilir bir elektrik akımı darbesinin oluşmasına neden olur. Vakum tüpleri, elektron akışını denetleyerek elektrik sinyallerinin işlenmesini sağlasa da, zamanla yerlerini transistör gibi katı hâl elektronik aygıtlarına bırakmışlardır.