อิเล็กตรอน

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

อิเล็กตรอน

อะตอมของไฮโดรเจนจะโคจรที่ระดับพลังงานแตกต่างกัน พื้นที่ที่สว่างกว่าเป็นพื้นที่ที่คุณมีแนวโน้มมากที่สุดที่จะพบอิเล็กตรอนหนึ่งตัว ณ เวลาใดเวลาหนึ่ง
ส่วนประกอบ	อนุภาคมูลฐาน
สถิติ (อนุภาค)	Fermionic
ชั่วรุ่น	ที่ 1
อันตรกิริยาพื้นฐาน	แรงโน้มถ่วง, แม่เหล็กไฟฟ้า, อย่างอ่อน
ปฏิยานุภาค	โพซิตรอน (หรือเรียกว่าปฏิกิริยาอิเล็กตรอน)
ทฤษฎีโดย	Richard Laming (1838–1851), G. Johnstone Stoney (1874) และอื่น ๆ
ค้นพบโดย	J. J. Thomson (1897)
มวล	9.10938356(11)×10^−31 kg 5.48579909070(16)×10^−4 u [1822.8884845(14)]^−1 u 0.5109989461(31) MeV/c^2
อายุเฉลี่ย	stable ( > 6.6×10^28 yr)
ประจุไฟฟ้า	−1 e −1.602176565(35)×10^−19 C −4.80320451(10)×10^−10 esu
Magnetic moment	−1.00115965218076(27) μB
สปิน	1/2

ลำอิเล็กตรอนภายใต้สนามแม่เหล็ก

การทดลองกับหลอดรังสีของครูก (Crookes tube) ครั้งแรกแสดงให้เห็นถึงธรรมชาติของอนุภาคอิเล็กตรอน หลอดแก้วภาชนะบรรจุขณะกำลังเรืองแสงจากลำอิเล็กตรอนสีเขียว

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 ทศวรรษต่อมา เบนจามิน แฟรงคลิน เสนอว่าการผลิตไฟฟ้าไม่ได้มาจากประเภทที่แตกต่างกันของของเหลวไฟฟ้าเท่านั้น, แต่ของเหลวไฟฟ้าเดียวกันนี้ยังสามารถผลิตไฟฟ้าขึ้นมาได้ภายใต้ความดันที่แตกต่างกัน เขาได้ตั้งชื่อตามที่เรียกกันในศัพท์สมัยใหม่ว่า ประจุ ที่มีทั้งบวกและลบ ตามลำดับ แฟรงคลินคิดว่าอนุภาคสื่อพาหะการนำไฟฟ้านั้นมีประจุไฟฟ้าที่เป็นบวก แต่เขาก็ระบุไม่ได้อย่างถูกต้องกับสถานการณ์ที่เป็นส่วนเกินของสื่อพาหะตัวนำประจุไฟฟ้าและสถานการณ์ที่ซึ่งเป็นการสูญเสียหรือขาดดุลของสื่อพาหะตัวนำประจุไฟฟ้า

ระหว่างปี 1838 และปี 1851, นักปรัชญาธรรมชาติชาวอังกฤษนามว่า ริชาร์ด เลมมิ่ง (Richard Laming) ได้พัฒนาแนวความคิดที่ว่าอะตอมประกอบไปด้วยแกนกลางของสสารที่ล้อมรอบไปด้วยหน่วยของอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้า จากนั้นต่อมา เริ่มต้นในปี 1846 นักฟิสิกส์ชาวเยอรมันชื่อ วิลเลียม เวเบอร์ (William Weber) ได้นำเสนอทฤษฎีของไฟฟ้าที่ประกอบไปด้วยของเหลวที่มีประจุบวกและประจุลบและการมีปฏิสัมพันธ์กันของประจุทั้งสองนี้ถูกควบคุมโดยกฏกำลังสองผกผัน (inverse square law) หลังจากที่ได้ศึกษาปรากฏการณ์ของอิเล็กโทรลิซิส (electrolysis) 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)

การค้นพบ

ลำแสงของอิเล็กตรอนถูกหักเหเป็นวงกลมโดยสนามแม่เหล็ก

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

นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษที่เกิดในเยอรมันชื่อ อาร์เธอร์ ชูสเตอร์ (Arthur Schuster) ได้ขยายความการทดลองของครูกส์ต่อไปอีก โดยการวางแผ่นโลหะขนานไปกับลำรังสีแคโทดนี้และโดยการใช้ศักย์ไฟฟ้าต่อเข้าระหว่างแผ่นโลหะทั้งสองนั้น

กลศาสตร์ควอนตัม

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. อ้างอิงผิดพลาด: ป้ายระบุ <ref> ไม่ถูกต้อง ไม่มีการกำหนดข้อความสำหรับอ้างอิงชื่อ prl50
2. 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. อ้างอิงผิดพลาด: ป้ายระบุ <ref> ไม่ถูกต้อง ไม่มีการกำหนดข้อความสำหรับอ้างอิงชื่อ arabatzis
4. อ้างอิงผิดพลาด: ป้ายระบุ <ref> ไม่ถูกต้อง ไม่มีการกำหนดข้อความสำหรับอ้างอิงชื่อ buchwald1
5. อ้างอิงผิดพลาด: ป้ายระบุ <ref> ไม่ถูกต้อง ไม่มีการกำหนดข้อความสำหรับอ้างอิงชื่อ thomson
6. อ้างอิงผิดพลาด: ป้ายระบุ <ref> ไม่ถูกต้อง ไม่มีการกำหนดข้อความสำหรับอ้างอิงชื่อ 2010 CODATA
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.