Elektron

Zie Elektron (doorverwijspagina) voor andere betekenissen van Elektron.

Het elektron (Oudgrieks: ἤλεκτρον, betekenis: barnsteen dat door wrijving elektrisch geladen werd) is een negatief geladen elementair deeltje, dat gebonden kan zijn, bijvoorbeeld in een atoom, of zich vrij in de ruimte kan bevinden. De ontdekking van het elektron in 1897 wordt toegeschreven aan Joseph John Thomson.

Het elektron behoort tot de klasse der leptonen. Het elektron behoort tot de eerste generatie materie. Deze deeltjes zijn stabiel. De hypothese van De Broglie, dat alle materie het karakter van een golf heeft waarvan de golflengte afhangt van de massa en de snelheid van het deeltje, geldt ook voor het elektron.

Het aantal elektronen in een atoom wordt door de plaats ven het atoom in het periodiek systeem bepaald. Als een elektron zich in een elektrisch veld bevindt ondervindt het, net als een ion, daarvan invloed. Als het zich in een magnetisch veld voortbeweegt ondervindt het de lorentzkracht.

Structuur van het atoom

Atomen bestaan volgens Rutherfords atoommodel uit een positief geladen atoomkern, waar evenveel negatief geladen elektronen omheen draaien als er positief geladen protonen zijn in de kern. De protonen en neutronen in de kern van het atoom bevatten vrijwel de volledige massa van het atoom. Ze zijn ruim 1800 maal zo zwaar als een elektron, of specifieker: de protonmassa is 1836,15 maal de elektronmassa en de neutronmassa is 1838,68 maal de elektronmassa.

Kenmerken van het elektron

Het elektron is een elementair deeltje met spin 1/2, dus is een fermion, zoals het proton, het neutron en het positron. Het antideeltje van het elektron heet positron. Voor zover men weet heeft het elektron geen verdere inwendige structuur. Volgens de snaartheorie is het elektron, evenals andere elementaire deeltjes, een bepaald trillingspatroon in een eendimensionale snaar, maar over deze snaartheorie is nog veel discussie.

Het elektron heeft een negatieve lading gelijk aan het elementaire ladingskwantum e (1,6022 × 10^-19 Coulomb), voor het eerst gemeten door Robert Millikan met zijn oliedruppelexperiment.

Volgens het standaardmodel van de deeltjesfysica kunnen elektrische ladingen alleen voorkomen in veelvouden van 1 e.

De rustmassa van het elektron bedraagt 9,109534 × 10^-31 kg, wat 1/1836e is van de massa van een proton en overeenkomt met een rustenergie van 511,007 keV. Het elektron heeft overigens net als een foton ook golfeigenschappen en is onderheving aan de dualiteit van golven en deeltjes volgens de hypothese van De Broglie. Deze golfeigenschap van elektronen wordt toegepast binnen de elektronenmicroscoop.

De elektronenconfiguratie bepaalt in hoge mate het chemisch gedrag van het atoom.

Elektronen in een atoom

De elektronen kunnen in een atoom alleen met welbepaalde energieën $E_{n}$ rond de atoomkern bewegen, in discrete energieniveaus, waar $n$ een geheel getal > 0 is, het hoofdkwantumgetal.

Voor waterstof, met atoomnummer 1, en helium, atoomnummer 2, komt $n=1$ overeen met de grondtoestand en komen $n=2,3,..$ met aangeslagen toestanden overeen. Bij de elementen met atoomnummers 3 tot en met 10, dat zijn lithium tot en met neon, hebben we twee elektronen in de binnenste schil, $n=1$ voor de K-schil, en één tot en met acht elektronen in de daaropvolgende schil, $n=2$ voor de L-schil, die voor deze elementen de buitenste elektronenschil is. De grondtoestanden komen voor deze elementen overeen met hoofdkwantumgetal $n=2$, de aangeslagen toestanden met $n=3,4,..$.

Overige kenmerken

Spectraallijnen

Omdat een elektron in het atoom alleen bepaalde discrete energieniveaus kan hebben, zal bij overgang tussen deze energieniveaus emissie of absorptie van fotonen plaatsvinden, waarbij de energie rechtevenredig is met de frequentie. De evenredigheidsconstante energie/frequentie heet de constante van Planck. Er wordt van dit effect bijvoorbeeld gebruik gemaakt door aan de hand van de spectraallijnen in het atoomspectrum van een ster te bepalen welke elementen er in die ster voorkomen.

Elektrische geleiding

Als door een externe invloed een elektron losraakt van de atoomkern en dus vrij kan bewegen, wordt het een geleidingselektron of vrij elektron. Bewegende vrije elektronen dragen bij aan de elektrische geleiding. Deze geleidingselektronen zijn de ladingsdragers van de elektrische stroom. Zie vacuümbuizen.

Energieband

Elektronen bevinden zich op bepaalde discrete energieniveaus binnen een atoom. Binnen moleculen of vaste stoffen kunnen deze energieniveaus zeer dicht tegen elkaar liggen en vormen dan gezamenlijk een energieband.

Valentieband

Het hoogste bezette energieniveau behorende bij een vaste stof noemt men de valentieband. Dit energieniveau wordt in moleculen ook de HOMO (Highest Occupied Molecular Orbital) genoemd.

Geleidingsband

Het laagste niet bezette energieniveau noemt men in een vaste stof de geleidingsband; in een molecuul spreekt men van de LUMO (Lowest Unoccupied Molecular Orbital). Omdat een elektron dat in deze band komt relatief ver van de kern verwijderd is, zal dat elektron gemakkelijk het atoom weer verlaten: deze elektronen zorgen voor de geleiding.

Verboden zone

De ruimte tussen de geleidingsband en de valentieband is een verboden zone (ook band gap genoemd). Bij geleiders is er geen band gap, of is die verboden zone zo klein dat elektronen van de valentieband kunnen overspringen naar de geleidingsband. Deze elektronen nemen dan deel aan de geleiding.

Geleider en isolator

Zij zijn elkaars tegenovergestelde. In geleiders zorgen de zich bewegende elektronen voor de elektrische geleiding. Wanneer de elektronen in de geleider, bijvoorbeeld een koperen draad, gemiddeld gezien een bepaalde richting opgaan, spreekt men van elektrische stroom in die geleider. Een isolator daarentegen is een stof waarin geen elektrische stroom kan lopen, er zijn in een isolator geen vrije elektronen. De bewegingen van de elektronen zijn beperkt in hun atoom. Er zijn evenveel elektronen als energieniveaus. De elektronen kunnen alleen maar van plaats verwisselen, maar daarbij verandert er niets aan de energieniveaus. In een elektrisch veld verschuiven de positief geladen atoomkern en de banen van de negatief geladen elektronen zich ten opzichte van elkaar, dat effect heet polarisatie.

Halfgeleider

Bij een halfgeleider is de grootte van de verboden zone van dezelfde orde als de thermische energie. Hierdoor is het voor elektronen soms mogelijk om over te springen van de valentieband naar de geleidingsband waardoor deze materialen in zuivere vorm een zeer kleine geleiding vertonen.

Statische elektriciteit

Statische elektriciteit ontstaat wanneer een voorwerp meer of minder elektronen bevat dan nodig zijn om de positieve lading van de protonen in de kern op te heffen.

Ionen

Als er in een atoom meer of minder elektronen zijn dan het aantal protonen in de kern, is het atoom geladen en heet dan een ion.

Zie ook

• Bètastraling
• Compton-effect
• Elektronenvangst
• Atoommodel van Bohr
• Supergeleiding

Websites

• Carlo Beenakker: De ontdekking van het elektron
• History of electricity (wikipedia)
• Etymology of the term "electricity" (wikipedia)

Bronnen, noten en/of referenties

Fysische deeltjes

Mediabestanden

Zie de categorie Electrons van Wikimedia Commons voor mediabestanden over dit onderwerp.

WikiWoordenboek