Elettrone

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Elettrone
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Stima teorica della densità di elettroni per i primi orbitali dell'atomo di idrogeno
Composizione: Particella elementare
Famiglia: Fermione
Gruppo: Leptone
Generazione: Prima
Interazione: Gravità, Elettromagnetica, Debole
Antiparticella: Positrone
Teorizzata: G. Johnstone Stoney (1874)
Scoperta: J.J. Thomson (1897)
Simbolo: e−, β−
Massa: 9,109 382 6(16) · 10-31 kg[1]

5,485 899 094 5(24) · 10−4 u

1⁄1822,888 4849(8) u

0,510 998 918(44) MeV/c2
Carica elettrica: −1,602 176 53(14) · 10−19 C[2]
Spin: ½

L'elettrone è una particella subatomica. Possiede una carica elettrica negativa di qe = 1,602 · 10−19 C (carica elementare), e una massa di circa 9,10 · 10−31 kg (0,511 MeV/c²).

L'elettrone viene comunemente rappresentato dal simbolo e−. L'antiparticella dell'elettrone è il positrone, che si differenzia solo per la carica elettrica positiva.

Gli atomi consistono di un nucleo (formato da protoni e neutroni) circondato da elettroni. La massa dell'elettrone è circa 1/1836 di quella di neutroni e protoni.

L'elettrone appartiene alla classe delle particelle subatomiche dette leptoni, che si ritiene siano componenti fondamentali della materia (ovvero non possono essere scomposte in particelle più piccole). L'elettrone ha spin semi-intero pari a 1/2, il che implica che è un fermione, ovvero, rispetta la statistica di Fermi-Dirac e il principio di esclusione di Pauli, non è quindi possibile avere più elettroni nello stesso stato.

Indice

[modifica] Storia

Il termine elettrone proviene dal termine greco ήλεκτρον, il cui significato è ambra. Questo perché storicamente l'ambra ebbe un ruolo fondamentale nella scoperta dei fenomeni elettrici. Gli antichi Greci, ad esempio, erano a conoscenza del fatto che strofinandone un pezzo con un tessuto di lana, questo assumeva una carica elettrica che si manifestava sotto forma di una scintilla quando si avvicinava a particolari oggetti.

Fu il fisico irlandese George Stoney ad utilizzare per primo l'elettrone come unità fondamentale dell'elettrochimica (nel 1874), e fu il primo a dare il nome alla particella nel 1894.

Negli ultimi anni del 1800, erano numerosi fisici a sostenere la possibilità che l'elettricità fosse costituita da unità discrete, alle quali vennero conferiti vari nomi, ma delle quali non c'era ancora alcuna prova sperimentale convincente. La scoperta della natura di particella subatomica dell'elettrone fu fatta nel 1897 da J. J. Thomson all'interno del Laboratorio Cavendish dell'Università di Cambridge, mentre svolgeva esperimenti sul tubo catodico.

Nel 1860 William Crookes effettuò esperimenti con il tubo di Geissler: inserendovi due lamine metalliche e collegandole ad un generatore di corrente continua ad elevato potenziale (circa 30.000 V) scoprì che si generava una luce di colori diversi a seconda del gas utilizzato. Questa luce partiva dal catodo (polo negativo) e fluiva verso l'anodo (polo positivo). Dopo circa trent'anni di sperimentazione questi raggi vennero chiamati raggi catodici e si scoprirono essere formati da corpuscoli di materia capaci di muovere un mulinello posto sul loro cammino. La velocità varia a seconda del potenziale applicato agli elettrodi, hanno scarsa penetrazione e carica negativa.

J.J. Thomson nel 1895 constatò, lavorando sui raggi catodici, che applicando un campo magnetico ed elettrico, il rapporto tra la carica elettrica e la massa era uguale a 5,273 · 1017  e/g. Queste particelle furono chiamate elettroni.

Nel 1909 Robert Millikan calcolò la carica elettrica dell'elettrone con il famoso esperimento della goccia d'olio, che era pari a 4,803 × 10−10 C. Fu quindi possibile calcolare la massa dell'elettrone che era di 9,109 × 10−31 kg.

[modifica] Teoria atomica

Il modello di Bohr dell'atomo, che visualizza gli stati energetici quantizzati. Un elettrone che salta verso un'orbita interna emette un fotone pari alla differenza di energia fra i due livelli.

Dal 1914, gli esperimenti dei fisici Ernest Rutherford, Henry Moseley, James Franck e Gustav Hertz hanno stabilito definitivamente che l'atomo è composto da un nucleo positivo massivo di cariche positive circondato da una leggera massa di elettroni. [3] Nel 1913, Il fisico danese Niels Bohr postula che gli elettroni risiedano in stati di energia quantizzata, con l'energia determinata dal momento angolare delle orbite degli elettroni attorno al nucleo. Gli elettroni possono muoversi tra questi stati, o orbite, in seguito all'assorbimento o all'emissione di un quanto di energia, un fotone di specifica frequenza. Questa teoria è in grado di spiegare correttamente le linee di emissione spettrale dell'idrogeno che questo forma se scaldato o attraversato da corrente elettrica. Ciò nonostante, il modello di Bohr fallisce nel predire l'intensità delle relative linee e nello spiegare la struttura dello spettro di atomi più complessi. [3] I legami chimici tra gli atomi sono spiegati nel 1916 da Gilbert Newton Lewis, come una interazione tra gli elettroni che li costituiscono.[4] Come è noto che le proprietà chimiche degli elementi si ripetono ciclicamente in accordo con la legge periodica,[5] nel 1919 il chimico americano Irving Langmuir suggerisce che questo può essere spiegato se gli elettroni in un atomo sono strutturati su strati. Gli elettroni si dispongono in gruppi intorno al nucleo. [6]

Nel 1924, il fisico austriaco Wolfgang Pauli osserva che la struttura a strati di un atomo può essere spiegata da un set di quattro parametri che definiscono univocamente lo stato quantico di un elettrone, e un singolo stato non può essere occupato da più di un singolo elettrone (questa legge è nota come Principio di esclusione di Pauli).[7] Nonostante ciò, sfuggiva il significato fisico del quarto parametro che può assumere solo due valori. Questo fu spiegato dai fisici tedeschi Abraham Goudsmith e George Uhlenbeck quando suggerirono che un elettrone, oltre al momento angolare associato alla sua orbita, possa possedere un proprio momento angolare intrinseco.[8][3] Questa proprietà è nota come spin, e riesce a spiegare la misteriosa separazione delle linee spettrali osservate con la spettrografia ad alta definizione.[9]

[modifica] Classificazione

I diversi ordini di grandezza della materia:
1. Materia (macroscopico)
2.Struttura molecolare (atomi)
3.Atomo (neutrone, protone, elettrone)
4.Elettrone
5.Quark
6.Stringhe

L'elettrone, come particella subatomica, appartiene alla classe dei leptoni.

In quanto particella elementare, l'elettrone ha una doppia natura: corpuscolare ed ondulatoria[10].

L'antiparticella dell'elettrone è il positrone, di carica uguale in modulo, ma di segno opposto. Lo scopritore del positrone, Carl David Anderson propose di cambiare il nome dell'elettrone in negatrone, lasciando il termine elettrone ad indicare una generica particella di carica non specificata.

[modifica] Proprietà e comportamento

L'elettrone ha una carica elettrica di −1,6021765 × 10−19 C, una massa pari a 9,11 × 10−31 kg (quest'ultimo valore corrisponde a 1/1836 della massa del protone). Il simbolo comunemente utilizzato per indicare l'elettrone è e−. La vita media dell'elettrone supera i 4,6 × 1026 anni.

Secondo i postulati della meccanica quantistica, è possibile rappresentare l'elettrone per mezzo di una funzione d'onda, dalla quale è possibile dedurre anche la probabilità di trovare tale particella in un volume infinitesimo dV. Tuttavia, in base al principio di indeterminazione di Heisenberg, non è possibile determinare con esattezza la posizione e la quantità di moto di un elettrone. Il principio afferma infatti che maggiore è la precisione con la quale si rileva la posizione, minore è la precisione con la quale è possibile rilevare la quantità di moto, e viceversa.

[modifica] Utilizzi pratici

L'impiego tipico si ha negli apparati ottici, quali il microscopio elettronico; l'elevata energia con la quale possono essere inviati sul campione consente infatti di ottenere immagini a risoluzioni più elevate rispetto a quelle che si avrebbero utilizzando normali fasci luminosi.

[modifica] In medicina

Gli elettroni vengono quotidianamente utilizzati nell'ambito della radioterapia per "sterilizzare" cicatrici dopo interventi chirurgici di tipo oncologico. Un esempio può essere la IORT (Radioterapia Intraoperatoria), nella quale un fascio elettronico è usato per uccidere eventuali cellule neoplastiche lasciate dal chirurgo e che possono quindi recidivare.

[modifica] Note

  1. ^ Tutte le masse sono valori del CODATA accessibili tramite la pagina del NIST sulla massa dell'elettrone. La versione frazionaria è l'inverso del valore decimale (con un'incertezza di 4,4 × 10−10)
  2. ^ La carica dell'elettrone è il negativo della carica elementare (che è la carica positiva del protone). Valori del CODATA accessibili tramite il NIST alla pagina carica elementare
  3. ^ a b c Boris M. Smirnov, Physics of Atoms and Ions, Springer, 2003.
  4. ^ Lewis, Gilbert N. (April 1916) The Atom and the Molecule . Journal of the American Chemical Society 38 (4): 762–786. DOI:10.1021/ja02261a002.
  5. ^ Eric R. Scerri, The Periodic Table, Oxford University Press US, 2007. 205–226
  6. ^ Langmuir, Irving (1919) The Arrangement of Electrons in Atoms and Molecules . Journal of the American Chemical Society 41 (6): 868–934.
  7. ^ Michela Massimi, Pauli's Exclusion Principle, The Origin and Validation of a Scientific Principle, Cambridge University Press, 2005.
  8. ^ Uhlenbeck, G. E. (1925) Ersetzung der Hypothese vom unmechanischen Zwang durch eine Forderung bezüglich des inneren Verhaltens jedes einzelnen Elektrons . Die Naturwissenschaften 13 (47)  (in German).
  9. ^ W., Pauli (1923) Über die Gesetzmäßigkeiten des anomalen Zeemaneffektes . Zeitschrift für Physik 16 (1): 155–164  (in German).
  10. ^ È importante precisare che questa proprietà può essere esteso a tutta la materia grazie alla relazione di de Broglie
    \lambda = \frac{h}{mv}

[modifica] Voci correlate

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