Elektronlar 1897 yılında Sir John Joseph Thomson tarafından keşfedilmiştir. Katot ışınlarını içeren birçok deneyden sonra, J. J. Thomson katot ışınlarının elektrik yüküne olan kütle oranını ortaya koydu. Katot ışınlarının negatif yüklü olan parçacıklardan oluştuğunu onayladı. Bu katod ışınları böylece elektronlar olarak bilinmeye başladı. Robert Milikan da yağ damlası deneyleri ile elektronik yükün değerini buldu. Bu yağ damlası deneyi hakkındaki KBT Bilim Sitesi’nde bulunan yazımızı okuyabilirsiniz.
Elektronlar atomun çekirdeğini çevreleyen alandaki bir elektron bulutunda yer alırlar. Genellikle şöyle söylenir, bir elektronun en yüksek bulunma olasılığının olduğu yer bir atomun çekirdeğine en yakın olan yerdir. Elektronlar e- olarak kısaltılabilir. Elekronlar protonların pozitif yüküyle aynı büyüklükte bir negatif yüke sahiptir. Ancak, elektronların kütlesi bir proton veya bir nötrona göre düşündüğümüzde son derece azdır. Kaldı ki ikisinin yanında elektronun kütlesi önemsiz bile kalır. Proton ve elektronların eşit olmayan miktarları iyonları oluşturur: pozitif katyonlar veya negatif anyonlar olarak.
Elektronun Keşfi
Elektronu keşfedenin Sir J.J. Thomson’ın olduğunu söylesek de bu birden olmamıştır. Yazımızın bu kısmında elektronun keşfine yönelik çalışmaları ele alacağız. Günümüzde sanki elektronun varlığı hep biliniyormuş gibi gelse de bir zamanlar varlığı tartışmalıydı. Bu tartışmaların sona erdiği dönemlerde Sir Arthur Stanley Eddington elektronların varlığı hakkında şunu demiştir 1934 yılında,
“Bir elektron bir yıldızdan daha fazla hipotetik değildir. Bugünlerde biz Geiger sayacında onları bir bir sayıyoruz, tıpkı yıldızları bir fotografik levha üzerinde bir bir saydığımız gibi.”
Alman fizikçi Johann Wilhelm Hittorf 1869 yılında düşük yoğunluklu gazlardaki elektriksel iletkenliği incelerken gaz basıncındaki azalma ile katottan yayılan parlaklığın arttığını keşfetti. 1876 yılında, Alman fizikçi Eugen Goldstein bu parlamadaki ışınları gölge dökümünü yaptı ve bu demetlere katot ışınları adını verdi. 1870’li yıllarda İngiliz kimyacı ve fizikçi Sir William Crookes yüksek bir vakum içinde ilk katot ışın tüpünü geliştirdi. Sonra katottan anota taşınan enerji ile tübün içinde görünen lüminesans ışınlarının olduğunu gösterdi. Hatta bir manyetik alan uygulayarak ışınların saptığını gözlemledi. Böylece aslında ışınların negatif yüklüymüş gibi davrandığını göstermiş oldu. 1879 yılında “radyant madde” terimi ile bu özellikleri açıkladı. Bunun aslında maddenin dördüncü bir hâli olduğunu öne sürmüştü. Crookes’e göre bu madde hali katottan yüksek hızlarla hareket eden negatif yüklü moleküllerden oluşuyordu.
Alman asıllı İngiliz fizikçi Arthur Schuster katot ışınlarına paralel metal plakalar yerleştirerek ve bu plakalar arasında bir elektrik potansiyeli uygulayarak Crookes’ın deneyleri genişletmişti. Bu elektrik alan pozitif yüklü plakaya doğru ışınları saptırdı ve bu da elbette ki ışınların negatif yük taşıdığına bir işaretti. Verilen akım seviyesine göre sapma miktarının ölçülmesiyle, 1890 yılında Schuster ışın bileşenlerinin kütle yük oranını tahmin etti. Ancak bu tahmin edilen değer beklenenden binlerce kat daha fazlaydı, Schuster’ın zamanında bu hesaplamalara çok az ilgi gösterilmişti.
1892 yılında Hendrik Lorentz bu parçacıklarının kütlesinin kendi elektrik yüklerinin bir sonucu olabileceğini öne sürdü.
1896 yılında, İngiliz fizikçi J. J. Thomson çalışma arkadaşları John S. Townsend ve H. A. Wilson ile katot ışınlarının gerçekte daha önce inanıldığı gibi dalgalar, atomlar veya moleküllerden ziyade benzersiz parçacıklardan oluştuğunu gösteren deneyler gerçekleştirdi. Thomson bu deneylerde hem elektrik yükü hem de kütle hakkında iyi tahminlerde bulundu ve katot ışını parçacıklarının bilinen en az kütleli iyon olarak bilinen hidrojenin kütlesinin belki de binde biri olduğunu buldu. Ayrıca katot ışınlarının yük kütle oranının (e/m) katot malzemesinden bağımsız olduğunu da gösterdi. Thomson ısınan malzemelerin, radyoaktif malzemelerin ve aydınlatılmış malzemelerin ürettiği negatif yüklü parçacıkların evrensel olduğunu da gösterdi. Daha sonra bu parçacıklar İrlandalı fizikçi George F. Fitzgerald tarafından elektron olarak isimlendirildi ve evrensel olarak kabul edildi.
1909 yılında elektronun yükü daha dikkat isteyen deneyler olan Milikan’ın yağ damlası deneyinde ölçüldü.
Elektronun Sınıflandırılması
Parçacık fiziğinin Standart Modeli’nde, elektronlar leptonlar olarak adlandırılan atom altı parçacıklar grubuna aittir. Elektronlar herhangi bir yüklü leptonun en düşük kütlesine sahiptir ve temel parçacıkların birinci nesline aittir. İkinci ve üçüncü nesil muon ve tau yüklü leptonlarını içerir. Yük, spin ve etkileşimleri elektronla özdeş olsa da çok daha fazla kütleye sahiptirler. Leptonlar maddenin diğer temel bileşenlerinden farklıdır. Leptonların tüm üyeleri fermiyonlardır. Çünkü olarak elektron gibi yarım tam sayıs spine sahiptirler. Örneğin elektron 1/2 spine sahiptir.
Elektronun Temel Özellikleri
Bir elektronun değişmez kütlesi yaklaşık 9.109x10−31 kilogramdır veya 5.489x10−4 atomik kütle birimindedir. Einstein’ın kütle-enerji denkliğine göre bu kütle 0.511 MeV durgun enerjiye karşılık gelmektedir. Elektronun kütlesi ile protonun kütlesini oranlarsak elde edeceğimiz sonuç 1836 olacaktır.
Elektronlar -1.602x10−19 Coulomb’luk bir elektriksel yüke sahiptirler. Bu atom altı parçacıklar için bir standart birim olarak kullanılır ve elementer yük olarak adlandırılır.
Elektron bir öz açısal momentuma yani spine sahiptir ve bu 1/2 değerindedir.
Elektronun bilinen bir alt yapıtaşı yoktur. Yani onu oluşturan daha küçük bir atom altı parçacığın olduğu bilinmiyor. Bu nedenle nokta parçacık ya da bir nokta yük olarak adlandırılır. Diğer taraftan tek bir elektronun gözlenen yarıçapının en üst sınırı 10−22 metredir.
Elektronun ortalama yaşam ömrünün 4.6x1026 yıl olduğu sanılıyor. Ancak son yapılan ölçümlere göre bir elektronun ömrü 6.6x1028 yıl olabilir. Konu ile ilgili detayları şu yazımızda okuyabilirsiniz: http://www.kuark.org/2015/12/bir-elektronun-omru-en-azindan-66000-yotta-yil/
Elektron hakkında başka neler söylenebilir?
Elektron atom altı parçacığı günümüz elektronik sanayinin kalbinde, tüm organlarında ve tüm hücrelerinde yer alıyor. Çünkü bir devrede akım geçirmek istersek, burada hareket eden yüklü parçacıklar elektronlardır. Elektronların taşıdığı elementer yük sayesinde tasarladığımız aygıtlar işlevlerini gerçekleştirebiliyorlar. Düşük enerjili elektron difraksiyonunda kristal özelliği gösteren bir malzeme elektronlarla bombardıman edilerek bu malzemenin yapısı çözümleniyor. Doğrusal parçacık hızlandırıcılarında üretilen elektron demetleri radyasyon terapisinde tümörlerin tedavisinde kullanılıyor. Elektron terapisi yüz lezyonlarının tedavisinde kullanılıyor. Parçacık hızlandırıcılarında başka düzenekler içerisinde de kullanılabiliyor. Elektron demet litografisi ile mikrometreden çok daha küçük çözünürlüklerde yarıiletken malzemelerin aşındırılması sağlanıyor. Bu aşındırma ile günümüz elektronik aygıtlarının üretiminde çeşitli metotlar kullanılabiliyor. Bu atom altı parçacıkların yer aldığı pek çok uygulama alanından daha bahsedebiliriz.
Atom altı parçacıklar yazı dizisinde bu temel parçacıklarının özelliklerini sizlerle paylaşmaya devam ediyoruz.
Kaynaklar:
- http://chemwiki.ucdavis.edu/Physical_Chemistry/Atomic_Theory/The_Atom/Sub-Atomic_Particles#Electrons
- http://en.wikipedia.org/wiki/Electron#Discovery