อิเล็กตรอน

อิเล็กตรอน
อะตอมของไฮโดรเจนจะโคจรที่ระดับพลังงานแตกต่างกัน พื้นที่ที่สว่างกว่าเป็นพื้นที่ที่คุณมีแนวโน้มมากที่สุดที่จะพบอิเล็กตรอนหนึ่งตัว ณ เวลาใดเวลาหนึ่ง
ส่วนประกอบอนุภาคมูลฐาน[1]
สถิติ (อนุภาค)Fermionic
ชั่วรุ่นที่ 1
อันตรกิริยาพื้นฐานแรงโน้มถ่วง, แม่เหล็กไฟฟ้า, อย่างอ่อน
ปฏิยานุภาคโพซิตรอน (หรือเรียกว่าปฏิกิริยาอิเล็กตรอน)
ทฤษฎีโดยRichard Laming (1838–1851),[2]
G. Johnstone Stoney (1874) และอื่น ๆ[3][4]
ค้นพบโดยJ. J. Thomson (1897)[5]
มวล9.10938356(11)×10−31 kg[6]
5.48579909070(16)×10−4 u[6]
[1822.8884845(14)]−1 u[note 1]
0.5109989461(31) MeV/c2[6]
อายุเฉลี่ยstable ( > 6.6×1028 yr[7])
ประจุไฟฟ้า−1 e[note 2]
−1.602176565(35)×10−19 C[6]
−4.80320451(10)×10−10 esu
Magnetic moment−1.00115965218076(27) μB[6]
สปิน1/2
ลำอิเล็กตรอนภายใต้สนามแม่เหล็ก[8]
การทดลองกับหลอดรังสีของครูก (Crookes tube) ครั้งแรกแสดงให้เห็นถึงธรรมชาติของอนุภาคอิเล็กตรอน หลอดแก้วภาชนะบรรจุขณะกำลังเรืองแสงจากลำอิเล็กตรอนสีเขียว

อิเล็กตรอน (อังกฤษ: electron) (สัญลักษณ์ e-) เป็นอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าเป็นลบ ไม่มีใครรู้จักส่วนประกอบหรือโครงสร้างพื้นฐานของมัน; ในคำกล่าวอื่น ๆ เช่น คาดกันโดยทั่วไปว่ามันจะเป็นอนุภาคที่เป็นมูลฐาน อิเล็กตรอนมีมวลที่เป็นประมาณ 1/18636 เท่าของโปรตอน โมเมนตัมเชิงมุมภายใน (สปิน) ของอิเล็กตรอนเป็นค่าครึ่งจำนวนเต็มในหน่วยของ ħ ซึ่งหมายความว่ามันเป็น เฟอร์มิออน (fermion) ปฏิยานุภาคของอิเล็กตรอนเรียกว่าโพซิตรอน มันเป็นเหมือนกันกับอิเล็กตรอนยกเว้นแต่ว่าจะมีค่าประจุไฟฟ้าและอื่น ๆ ที่มีลักษณะตรงกันข้าม เมื่ออิเล็กตรอนชนกันกับโพซิตรอน อนุภาคทั้งสองอาจกระจัดกระจายออกจากกันและกัน หรือถูกประลัย (annihilate)โดยสิ้นเชิง การผลิตคู่ (หรือมากกว่านั้น) เกิดขึ้นจากโฟตอนรังสีแกมมา อิเล็กตรอน ซึ่งถือเป็นรุ่นแรกของตระกูลอนุภาคเลปตอน (lepton) มีส่วนร่วมในแรงโน้มถ่วง มีปฏิสัมพันธ์กับแรงแม่เหล็กไฟฟ้าและอันตรกิริยาอย่างอ่อน อิเล็กตรอนเช่นเดียวกับสสารทั้งหมด มีคุณสมบัติทางกลศาสตร์ควอนตัมของทั้งคู่อนุภาคและคลื่น วิ่งอยู่รอบๆ นิวเคลียสตามระดับพลังงานของอะตอมนั้นๆ โดยส่วนมากของอะตอม จำนวน อิเล็กตรอน ในอะตอมที่เป็นกลางทางไฟฟ้าจะมีเท่ากับจำนวน โปรตอน เช่น ไฮโดรเจนมีโปรตอน 1 ตัว และอิเล็กตรอน 1 ตัว ฮีเลียมมีโปรตอน 2 ตัว และอิเล็กตรอน 2 ตัว

นักปรัชญาธรรมชาติชาวอังกฤษชื่อ ริชาร์ด เลมมิ่ง (Richard Laming) ได้ตั้งสมมติฐานแรกที่เป็นแนวคิดของการแบ่งแยกปริมาณของประจุไฟฟ้าเพื่อที่จะอธิบายคุณสมบัติทางเคมีของอะตอมไว้ในปี ค.ศ. 1838;

คุณสมบัติ

อิเล็กตรอนนั้นจัดได้ว่าเป็นอนุภาคมูลฐานชนิดหนึ่ง อิเล็กตรอนอยู่ในตระกูลเลปตอน (lepton) ที่เป็นอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าเท่ากับ −1.602176565(35)×10−19 คูลอมบ์ มีมวลประมาณ 9.10938291(40)×10−31 กิโลกรัม อิเล็กตรอนมีค่าสปิน s = 1/2 ทำให้เป็นเฟอร์มิออนชนิดหนึ่ง อิเล็กตรอนเป็นปฏิยานุภาค (anti-matter) ของโพซิตรอน

ประวัติ

ชาวกรีกโบราณ หรือกรีซโบราณ (ancient Greeks) สังเกตเห็นว่าก้อนอำพันสีเหลืองสามารถดึงดูดวัตถุขนาดเล็กได้เมื่อถูกลูบไล้ด้วยขนสัตว์ นอกเหนือจากปรากฏการณ์ฟ้าแลบและฟ้าผ่า, ปรากฏการณ์นี้เป็นหนึ่งในประสบการณ์ที่เก่าแก่ที่สุดของมนุษย์ที่ถูกบันทึกไว้เกี่ยวกับไฟฟ้า ในตำรากว่า 1600 เล่มที่มีชื่อว่า De Magnete นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษชื่อ วิลเลียม กิลเบิร์ต ได้บัญญัติคำศัพท์ในภาษาละตินใหม่ (New Latin) ว่า electricus เพื่ออ้างถึงคุณสมบัติในการดึงดูดวัตถุขนาดเล็กหลังจากที่ถูกถูกับยาง ทั้งคำ electric (ไฟฟ้า) และ electricity (กระแสไฟฟ้า) มาจากคำในภาษาละตินว่า ēlectrum ซึ่งมาจากคำภาษากรีกสำหรับเรียกแทนวัตถุอำพันว่า ήλεκτρον (ēlektron)

ต้นทศวรรษที่ 1700, แฟรนซิส ฮาร์คบี (Francis Hauksbee) และ ซี. เอฟ. ดู เฟย์ (C. F. du Fay) นักเคมีชาวฝรั่งเศส ได้ค้นพบด้วยตนเองถึงสิ่งที่พวกเขาเชื่อว่าจะเป็นสองชนิดของการเสียดสีกันทางไฟฟ้า; อันหนึ่งคือการเสียดสีกับแก้ว, ส่วนอีกอันหนึ่ง ได้จากการเสียดสีกับเรซิ่น จากนี้ ดู เฟย์ ได้สร้างทฤษฎีเกี่ยวกับไฟฟ้าที่ประกอบด้วยของเหลวไฟฟ้าสองชนิดที่มีลักษณะคล้าย "แก้ว" และ "ยาง" ที่จะแยกตัวออกจากกันและกันด้วยการเสียดสีและที่เป็นกลางเมื่อนำมารวมกัน [9] ทศวรรษต่อมา เบนจามิน แฟรงคลิน เสนอว่าการผลิตไฟฟ้าไม่ได้มาจากประเภทที่แตกต่างกันของของเหลวไฟฟ้าเท่านั้น, แต่ของเหลวไฟฟ้าเดียวกันนี้ยังสามารถผลิตไฟฟ้าขึ้นมาได้ภายใต้ความดันที่แตกต่างกัน เขาได้ตั้งชื่อตามที่เรียกกันในศัพท์สมัยใหม่ว่า ประจุ ที่มีทั้งบวกและลบ ตามลำดับ [10] แฟรงคลินคิดว่าอนุภาคสื่อพาหะการนำไฟฟ้านั้นมีประจุไฟฟ้าที่เป็นบวก แต่เขาก็ระบุไม่ได้อย่างถูกต้องกับสถานการณ์ที่เป็นส่วนเกินของสื่อพาหะตัวนำประจุไฟฟ้าและสถานการณ์ที่ซึ่งเป็นการสูญเสียหรือขาดดุลของสื่อพาหะตัวนำประจุไฟฟ้า [11]

ระหว่างปี 1838 และปี 1851, นักปรัชญาธรรมชาติชาวอังกฤษนามว่า ริชาร์ด เลมมิ่ง (Richard Laming) ได้พัฒนาแนวความคิดที่ว่าอะตอมประกอบไปด้วยแกนกลางของสสารที่ล้อมรอบไปด้วยหน่วยของอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้า [2] จากนั้นต่อมา เริ่มต้นในปี 1846 นักฟิสิกส์ชาวเยอรมันชื่อ วิลเลียม เวเบอร์ (William Weber) ได้นำเสนอทฤษฎีของไฟฟ้าที่ประกอบไปด้วยของเหลวที่มีประจุบวกและประจุลบและการมีปฏิสัมพันธ์กันของประจุทั้งสองนี้ถูกควบคุมโดยกฏกำลังสองผกผัน (inverse square law) หลังจากที่ได้ศึกษาปรากฏการณ์ของอิเล็กโทรลิซิส (electrolysis) [12] ในปี 1874 นักฟิสิกส์ชาวไอริชชื่อ จอร์จ จอห์นสโตน สโตนี (George Johnstone Stoney) ได้เสนอแนะบอกว่า มีตัวตนของ "ปริมาณที่แน่นอนของกระแสไฟฟ้าแบบเดี่ยว ๆ" ที่เป็นประจุไฟฟ้าของโมโนเวเลนซ์ ไอออน (monovalent ion) ดำรงตัวอยู่ เขาสามารถที่จะประมาณค่าของประจุ e นี้ในเบื้องต้นได้โดยวิธีการของกฎอิเล็กโทรลิซิสของฟาราเดย์ (Faraday's laws of electrolysis) [13]

การค้นพบ

A round glass vacuum tube with a glowing circular beam inside
ลำแสงของอิเล็กตรอนถูกหักเหเป็นวงกลมโดยสนามแม่เหล็ก[14]

นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษชื่อ โยฮัน วิลเฮล์ม เฮ็ดทอร์ฟ (Johann Wilhelm Hittorf) ได้ศึกษาการนำไฟฟ้าในก๊าซบริสุทธิ์: ในปี ค.ศ. 1869 เขาค้นพบการเรืองแสงที่เพิ่มขึ้นที่ออกมาจากหลอดรังสีแคโทดในขณะที่ลดความดันของก๊าซที่อยู่ภายในลง ในปี 1876 นักฟิสิกส์ชาวเยอรมันชื่อ เออเก็น โกลด์สไตน์ (Eugen Goldstein) ได้แสดงให้เห็นว่ารังสีจากการเรืองแสงนี้ทอดเงาได้และเขาขนานนามว่า รังสีแคโทด [15] ในช่วงทศวรรษที่ 1870 นักฟิสิกส์และนักเคมีชาวอังกฤษ เซอร์ วิลเลียม ครูกส์ (Sir William Crookes) ได้พัฒนาหลอดรังสีแคโทดที่มีสภาพความเป็นสุญญากาศสูงอยู่ภายในขึ้นเป็นครั้งแรก [16] จากนั้นเขาก็แสดงให้เห็นว่ารังสีเรืองแสงที่ปรากฏภายในหลอดนั้นสามารถนำพาพลังงานไปได้และเคลื่อนที่ออกมาจากแคโทดไปยังแอโนด นอกจากนี้โดยการใช้สนามแม่เหล็กเขาก็สามารถที่จะหันเหทิศทางของรังสีนี้ได้จึงแสดงให้เห็นว่าลำแสงนี้ทำตัวราวกับว่ามันเป็นประจุลบ [17][18] ในปี 1879 เขาเสนอว่าคุณสมบัติเหล่านี้สามารถอธิบายได้โดยสิ่งที่เขาเรียกว่า 'สสารแผ่รังสี' (radiant matter) เขาได้เสนอแนะว่านี่คือสถานะที่สี่ของสสารที่ประกอบด้วยโมเลกุลที่มีประจุลบที่ถูกฉายออกมาด้วยความเร็วสูงจากขั้วแคโทด [19]

นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษที่เกิดในเยอรมันชื่อ อาร์เธอร์ ชูสเตอร์ (Arthur Schuster) ได้ขยายความการทดลองของครูกส์ต่อไปอีก โดยการวางแผ่นโลหะขนานไปกับลำรังสีแคโทดนี้และโดยการใช้ศักย์ไฟฟ้าต่อเข้าระหว่างแผ่นโลหะทั้งสองนั้น

กลศาสตร์ควอนตัม

ดูเพิ่ม: ประวัติศาสตร์ของกลศาสตร์ควอนตัม

ในปี 1924 วิทยานิพนธ์ในชื่อหัวข้อว่า Recherches sur la théorie des quanta (งานวิจัยเกี่ยวกับทฤษฎีควอนตัม), ของนักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศสชื่อว่า หลุยส์ เดอ บรอย ได้ตั้งสมมติฐานว่าสสารทั้งหลายมีคุณสมบัติของคลื่นที่เรียกว่า คลื่น เดอ บรอย (de Broglie wave) ที่มีความคล้ายคลึงกับแสง

เชิงอรรถ

หมายเหตุ

  1. ↑ ตัวหารของเศษส่วนนี้เป็นส่วนกลับของค่าทศนิยม (พร้อมกับความไม่แน่นอนมาตรฐานที่สัมพันธ์กันของมันที่เท่ากับ 4.2×10−13 u).
  2. ↑ ประจุของอิเล็กตรอนเป็นค่าลบของประจุพื้นฐาน ซึ่งมีค่าเป็นบวกสำหรับโปรตอน

อ้างอิง

  1. ↑ คำเตือนการอ้างอิง: <ref> tag with name prl50 cannot be previewed because it is defined outside the current section or not defined at all.
  2. ↑ 2.0 2.1 Farrar, W.V. (1969). "Richard Laming and the Coal-Gas Industry, with His Views on the Structure of Matter". Annals of Science. 25 (3): 243–254. doi:10.1080/00033796900200141.
  3. ↑ คำเตือนการอ้างอิง: <ref> tag with name arabatzis cannot be previewed because it is defined outside the current section or not defined at all.
  4. ↑ คำเตือนการอ้างอิง: <ref> tag with name buchwald1 cannot be previewed because it is defined outside the current section or not defined at all.
  5. ↑ คำเตือนการอ้างอิง: <ref> tag with name thomson cannot be previewed because it is defined outside the current section or not defined at all.
  6. ↑ 6.0 6.1 6.2 6.3 6.4 คำเตือนการอ้างอิง: <ref> tag with name 2010 CODATA cannot be previewed because it is defined outside the current section or not defined at all.
  7. ↑ Agostini M. et al. (Borexino Coll.) (2015). "Test of Electric Charge Conservation with Borexino". Physical Review Letters. 115 (23): 231802. arXiv:1509.01223. doi:10.1103/PhysRevLett.115.231802.
  8. ↑ Born, Max; Blin-Stoyle, Roger John; Radcliffe, J. M. (1989). Atomic Physics. Courier Dover Publications. p. 26. ISBN 0486659844.{cite book}: CS1 maint: multiple names: authors list (ลิงก์)
  9. ↑ Keithley, J.F. (1999). The Story of Electrical and Magnetic Measurements: From 500 B.C. to the 1940s. IEEE Press. pp. 15, 20. ISBN 0-7803-1193-0.
  10. ↑ "Benjamin Franklin (1706–1790)". Eric Weisstein's World of Biography. Wolfram Research. สืบค้นเมื่อ 2010-12-16.
  11. ↑ Myers, R.L. (2006). The Basics of Physics. Greenwood Publishing Group. p. 242. ISBN 0-313-32857-9.
  12. ↑ "สำเนาที่เก็บถาวร". คลังข้อมูลเก่าเก็บจากแหล่งเดิมเมื่อ 2015-03-25. สืบค้นเมื่อ 2015-01-08.
  13. ↑ Barrow, J.D. (1983). "Natural Units Before Planck". Quarterly Journal of the Royal Astronomical Society. 24: 24–26. Bibcode:1983QJRAS..24...24B.
  14. ↑ Born, M.; Blin-Stoyle, R.J.; Radcliffe, J.M. (1989). Atomic Physics. Courier Dover. p. 26. ISBN 0-486-65984-4.
  15. ↑ Dahl (1997:55–58).
  16. ↑ DeKosky, R.K. (1983). "William Crookes and the quest for absolute vacuum in the 1870s". Annals of Science. 40 (1): 1–18. doi:10.1080/00033798300200101.
  17. ↑ Leicester, H.M. (1971). The Historical Background of Chemistry. Courier Dover. pp. 221–222. ISBN 0-486-61053-5.
  18. ↑ Dahl (1997:64–78).
  19. ↑ Zeeman, P.; Zeeman, P. (1907). "Sir William Crookes, F.R.S". Nature. 77 (1984): 1–3. Bibcode:1907Natur..77....1C. doi:10.1038/077001a0.