Et elektron er en negativ ladning (e-, negatron, β-) som befinner seg med en bestemt sannsynlighetsfordeling rundt en positivt ladet atomkjerne. Det er Coulomb-krefter (Charles Augustin de Coulomb) mellom ladningene til elektroner og protoner. Forholdet mellom massen til protonet og elektronet er 1836. Elektronet har lik ladning som protonet, men med motsatt fortegn. Et elektron er både en bølge og en partikkel, bølge-partikkel dualisme. Elektroner som beveger seg skaper et elektromagnetisk felt. Et ytre magnetisk felt kan flytte banen til et elektron. Et elektron har spin og et magnetisk moment langs spinaksen. Et elektron kan absorbere og avgi energi i form av elektromagnetisk stråling eller fotoner. Elektrisk strøm ved bevegelse og forflytning av elektroner er en energikilde som blir benyttet i biologiske redokssystemer , redoks i jord, og i all elektrisk apparatur vi omgis av i hverdagslivet. Et materiale eller stoff har forskjellig grad av elektrisk ledningsevne. Metaller har frie delokaliserte elektroner som ikke hører med til noe bestemt atom, og disse elektronene vil bevege seg i et elektrisk felt, og kan gi en netto strøm av ladninger. Elektrisk strøm danner et magnetfelt, og strøm kan dannes ved å endre et magnetfelt. Utladninger i et lyn er en strøm av elektroner.
Glass og porselen er isolatorer og dårlige elektriske ledere. I metaller har valenselektronene så mye energi at de kan bevege seg fritt i konduksjonsbåndet. Får elektronet nok energi kan det bevege seg fra valensbåndet (normalt grunnviå) opp i konduksjonsbåndet. Evnen til å endre energinivå avhenger av den termiske energien til elektronet 2/3kT. Hvis denne energien er ca. lik den termiske energien har vi en halvleder (< 4 kJ mol-1) hvor elektronet noen ganger er i valensbåndet og noen ganger i konduksjonsbåndet. Hvor mange elektroner (N) som finnes i konduksjonsbåndet kan finnes ut fra Boltzmanns energifordeling:
\(N = N_0 e^{\frac{E}{kt}}\)
hvor N0 er antall valenselektroner og E er energiforskjellen mellom grunnivå og konduksjonsbånd. Hvis det er forurensinger i mineralet, vanligvis silisium, som gir elektroner har vi en n-halvleder. Hvis forurensningene er en elektronakseptor har vi en p-halvleder. Grunnstoffene til høyre for den vertikale raden med Si vil være elektrondonorer for eksempel astat As → As+ + e- og de til venstre vil være elektronakseptorer for eksempel gadolinium Ga + e- → Ga-.
Hastigheten som elektroner beveger seg ved kan aldri bli så høy som lyshastigheten i vakuum, men i vann kan elektroner som β-partikler fra radioaktive isotoper bevege seg raskere enn lyset og gi blåfarget Cherenkov-stråling. Elektronet har en motsats og antipartikkel kalt positron (e+). Når et positron og elektron smelter sammen og annihilerer blir det sendt ut elektromagnetisk gammastråling. Massen til et elektron er 5.48579909070·10-4 u, tilsvarende ca. hvilemasse 0.511 eV(elektronvolt). Radius til elektronet er ca. 10-22 m. Magnetisk moment tilsvarende ca. 1 Bohrmagneton er 9.27400915·10-24 J tesla-1. Det magnetiske moment til kjernen er lite i forhold til elektronet, men det magnetiske momentet til to elektroner som befinner seg i samme orbital opphver hverandre.Elektronet er den partikkelen, kalt lepton, som har lavest energi.
Tilnærmete løsninger av Schrödingerligningen for elektroner som frastøter hverandre og deres sinusformede bølgefunksjon gir orbitaler med tre kvantetall (n, l og m). Elektroner blir fylt opp i orbitaler i rekkefølgen 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p osv. Energien til elektronet avhenger både av hvor raskt og i hvilken bane det beveger seg. Den økning i energi som et elektron får ved å absorbere et foton resulterer i at elektronet flytter seg til en diskret tillatt bane som ligger i et høyere energinivå enn den opprinnelige; eller at elektronet beveger seg raskere til en tillatt hastighet rundt kjernen enn før fotonet ble absorbert. Vi kan bare angi sannsynligheten for å påtreffe et elektron rundt kjernen. Elektronet kan også betraktes som en ladet partikkel som roterer rundt sin akse. Rotasjonen skaper en elektromagnet som går i bane rundt kjernen. Denne rotasjonen gir et vinkelmoment kalt spin, som er av samme størrelse for alle elektroner, men siden det er angitt som en vektorstørrelse kan det ha forskjellig retning. Enten parallelt (spin +1/2) eller antiparallelt (spin -1/2) til retningen til det lokale magnetfeltet skapt internt av ladninger som skyldes bevegelse av kjernen og elektronene. Spin har enheten energi×tid og angis ofte i enheter som h/2p, hvor h er Planck´s konstant. Det totale netto spin for et atom eller molekyl er summen av spinnene til alle elektronene og angis som S. Hvis de to spin- populasjonene for elektroner i et stoff er i likevekt har ikke stoffet noe netto magnetisk moment. Spinmultiplisiteten M er lik 2S + 1
Fotoeksitering av pi-elektroner i konjugerte karbon-karbon dobbeltbindinger i klorofyll (klorofylleksitasjon) danner fundamentet for alt liv på Jorden. Oksygen er et av de meste elektronegative grunnstoffene på Jorden og tiltrekker seg elektroner og kan danne reaktive oksygenforbindelser blant annet radikaler.
Når det totale netto spin S er lik 0 blir spinmultiplisiteten lik 1 og vi sier at vi har et singlettstadium av molekylet. Er totalt netto spin S lik 1 blir spinmultiplisiteten lik 3 og vi har et triplettstadium av molekylet. Både klorofyllmolekylet og oksygenmolekylet eksiterer i singlett og triplettstadier. Grunntilstanden, den ikke-eksiterte tilstanden til et molekyl, hvor alle elektronene er i par i sine laveste energiorbitaler er vanligvis en singlett. Unntatt er oksygenmolekylet som er en triplett i grunntilstanden. Når S er lik 1/2, slik som vi får i molekyler med odde antall elektroner dvs. radikaler, blir spinmultiplisiteten lik 2, det vil si en doblett.
Banene eller stedene hvor det er størst sannsynlighet for å treffe på elektroner rundt kjernen kalles orbitaler. De kalles atomorbitaler (s, p) hvis det er elektroner rundt et atom vi snakker om, og molekylorbitaler (sigma- og pi-elektroner) rundt molekyler. Noen elektroner i et molekyl er lokalisert bare rundt en kjerne, noen kan være delt mellom to kjerner. Disse siste kalles delokaliserte elektroner, , og er de som deltar i absorbsjonen av fotoner i biologiske molekyler. Paulis eksklusjonsprinsipp sier at når det er to elektroner i en orbital må de ha spin i motsatt retning. Når et elektron eksiteres til et høyere ledig orbital er det to spinmuligheter som er mulig. Hunds regel sier at det molekylet som har lavest spinmultiplisitet har den laveste energien, dvs. triplettstadiet har mindre energi enn singlettstadiet. Når et molekyl blir eksitert av et foton beveger et elektron i pi- orbital seg til et pi* -orbital med høyere energi, et antibindende orbital, siden elektronet ikke lenger inngår i bindingen mellom to kjerner. Et molekyl kan derved få mulighet til å rotere rundt en karbon-karbon dobbeltbinding og skifte fra cis til trans konfigurasjon eller omvendt. Jfr. når retinal i øyet mottar lys. Pigmentmolekylene klorofyll, karotenoider, fytokrom, fykobiliner har en rekke konjugerte dobbeltbindinger med pi (\(\pi\))-elektroner som kan eksiteres. Jo flere dobbeltbindinger desstod mindre energi trengs for å eksitere molekylet fra grunntilstand til eksitert nivå. Jo flere dobbeltbindinger desto større forskjell er det mellom den laveste og høyeste energien til p-orbitalene i molekylet.
Levetid for et eksitert molekyl er tiden som trengs for at antallet eksiterte molekyler skal minske til 1/e-del (37 %) av det opprinnelige antallet.
Strømstyrke er et mål på antall ladninger som passerer et tverrsnitt per sekund. Det dannes et elektrisk felt mellom ladninger. Strømretningen er definert fra pluss (+) til minus (-), den veien som positive ladninger beveger seg i et elektrisk felt, men elektronene forflytter seg motsatt vei, fra den negative polen mot den positive. For eksempel når det batteri danner en sluttet krets beveger elektronene seg fra minuspolen til plusspolen, og det elektriske feltet beveger seg til lyshastighet. Det er et stort sprang i elektrisk felt over en glødelampelyspære, og elektronene beveger seg ned et elektrisk felt.
Kjemi og grunnstoffenes reaksjoner
Elektronets historie
Den greske filosofen Leukippos kom ca. år 450 før vår tid (f.v.t) med en teori at alt meteriale består av faste små atomer som ikke kan blir delt, og som beveger seg i et tomrom. Demokrit ca. 420 f.v.t. videreutviklet denne atomteorien for materien hvor han mente at mange naturfenomer kunne forklares ved at atomene hadde forskjellig form og størrelse. Den greske filosofen og astronomen Heraclides Ponticus (390-310 f.v.t ) fra Heraclea Pontica mente at Jorden rotere omkring en akse fra vest mot øst. Hva Aristoteles mente, og seinere religionen, fikk imidlertid stor betydning, og både atomteorien og jordrotasjonsteorien ble glemt inntil de på 1600- og 1700-tallet fikk fornyet interesse. Det ble en ny tid for naturvitenskapen med Pierre Gassendi (1592- og 1655), Robert Boyle (1627-1691) med Boyle-Mariottes lov, samt Isaac Newton (1642-1727). Gelileo Galilei (1564-1642) forklarte det heliosentriske verdensbilde. Atomteoriens oppsving med John Dalton (1766-1844) og den svenske kjemikeren Jöns Jakob Berzelius (1779-1844).
Thales fra Milet i det gamle Grekenland oppdaget at rav (fossil harpiks, gr. electron, l. electrum) gnidd med et pelsskinn kan tiltrekke seg objekter som hår. Den engelske fysikeren og astronomen William Gilbert (1514-1603) innførte i verket De Magnete (1600) (Om magneter), bestående av seks deler, begrepet electricus, elektrisitet , fra studiet av evnen rav gnidd med ull eller skinn har til å tiltrekke seg objekter som hår, blader, papir og vann. Dansken Hans Christian Ørsted (1777-1851) ved Universitetet i København oppdaget at elektroner som beveger seg i en ladning skaper et magnetisk felt. En magnetnål i nærheten av en elektrisk leder med strøm flytter seg, og byttet han poler svingte magnetnålen den andre veien. Var det noe felles med elektrisitet og magnetisme ? Det var Michael Faraday som fant svaret på elektromagnetisk induksjon. Allerede naturfilosofen Thales fra Miletos nær Magnetia kjente til magnetstein, magnetes lithos, og at jernfilspon i nærheten av en magnet organiserte seg i et mønster. Faraday loddet sammen en jernstav slik at den dannet en ring. Rundt den ene ringen av jernringen viklet han kobbertråd isolert med bomullstråd og koblet trådendene til en voltasøyle. I den andre enden av jernringen viklet han kobbertråd i en sekundærspole som ble koblet til et galvanometer, og så at han kunne få utslag på galvanometeret når strøm ble sendt gjennom primærspolen . Dette var en fundamental oppdagelse Faraday gjorde i 1831, et merkeår, en primærspole og sekundærspole og strøm kunne induseres i sekundærspolen. Faraday hadde laget en transformator. Han laget også en kobberskive som roterte mellom de to polene på en magnet. Dette var dynamoen. Faraday gjorde også forsøk med å skyve en stavmagnet inn og ut av en spole. Faraday la med andre grunnlaget for det moderne samfunns kraftproduksjon i vannkraftverk og all elektrisk energioverføring. Thomas Alva Edison konstruerte glødelampen i 1879, og hadde stor tro på likestrøm, men det var den serbiske Nikolai Tesla som så fordelen med vekselstrøm, og konstruerte vekselstrømsmotoren.
Triboelektrisitet
Triboelektrisk effekt (gr. tribo – gni) eller triboelektrisk lading hvor enkelte materialer får ladning ved friksjonskontakt . Statisk elektrisitet kan observeres ved å gni objekter med tøystykker. Glass gnidd med silke, hardgummi gnidd med pels. En oppblåst ballong gnis med ulltøy, og ballongen kan deretter bli hengende fast i taket. Eller man kan gni en kam gjennom håret og se at en vannstråle fra springen blir tiltrukket av kammen. Eller gni en plastkulepenn mot ulltøy og bruk den til å plukke opp små papirbiter. I mørke kan man se lysglimt fra elektriske utladninger forårsaket av triboelektrisitet fra for eksempel ved mekanisk gniing av syntetiske stoffer. Gnir man kvartsbiter mot hverandre kan den mekaniske påvirkningen gi lysutsendelse i mørke i form av triboluminiscens.
Gilbert utførte også studier av en jordmodell ved å kutte en rund kule av magnetjernstein som han kalte terella (l. liten jord). Jfr. Birkelands terella for studiet av nordlys. Gilbert konstruerte et versorium (l, snu rundt), en metallnål som kunne rotere fritt på en sokkel. Nålen ble påvirket av elektrostatiske krefter og pekte mot ladete objekter. Forskjellig fra en roterende magnetisk kompassnål som plasseres seg i forhold til et magnetisk felt.
I 1896 gjorde den engelske fysikeren og professor ved universitetet i Cambridge JJ Thomson (1856-1940) studier av frie elektroner (korpuskler) i vakuum (katodestråler, Lenardstråler etter P Lenard (1862-1947), nobelprisen i fysikk i 1905), og undersøkte forholdet mellom ladning og masse. Plumpuddingmodellen , og Thomson fikk nobelprisen i fysikk i 1906. Den irske fysikeren GJ Stoney (1806-1911) gjeninnførte begrepet elektron som måleenhet for elektrisitet. Ved Cambridge var det et meget aktivt fysikkmiljø med blant annet Max Born, William Henry Bragg, Charles Barkla, Niels Bohr, Owen Willians Richardson, Charles Thomson Rees Wilson, Francis William Aston og Ernest Rutherford. Det ble utviklet en atomteori basert på en kompakt kjerne med positiv ladning omgitt av et eller flere elektroner med liten masse. Niels Bohr (1885-1962), nobelpris i fysikk i 1922, mente at med kvantifiserte elektronbaner kunne man forklare spektrallinjene til hydrogenatomet, men det ble vanskeligere å forklare tilsvarende for tyngre grunnstoffer.
I 1916 kunne Gilbert Newton Lewis (1875-1946) vise hvordan elektroner deltar i kovalent binding mellom to atomer. Deling av åtte ytre elektroner, elektronparmodell og Lewisstruktur, elektronprikkmodell, seinere kalt oktettregelen. Valence and the structure of atoms and molecules (1923). Ved Universitetet i California, Berkley, ledet Lewis utviklingen av et aktivt kjemimiljø. Lewis elektronteori for syrer og baser, isolering deuterium, studiet av isotoper, innen fotokjemi studerte Lewis fosforescens fra triplett-stadiet av eksiterte stoffer. Irving Langmuir (1881-1957 ) videreutviklet i 1919 Lewismodellen med elektroner i atomet i kuleformete skall med lik tykkelse, hver med et elektronpar, beskrevet i The arrangement of electrons in atoms and molecules. Langmuir er også kjent for forbedring av vakuumteknikker, wolframtråden i glødelampen får lenger levetid hvis den er i en atmosfære med edelgass (argon), studiet vinddrevet sirkulasjon i Sargassohavet (Langmuirs sirkulasjon, sammen med Stokes drift, observert som ranker med algerester på overflaten) , samt overflatekjemi som ga nobelprisen i kjemi 1932. Langmuirs adsorpsjonsisoterm og Langmuirs ligning.
Den sterkeste bindingen mellom atomer er når elektroner blir delt, og bindingselektroner finnes med størst sannsynlighet i et lite område mellom atomkjernene.
Atommodellen ble videreutviklet av Max Plancks (1858-1947) kvanteteori, og Wolfgang Pauli (1900-1958) med Paulis eksklusjonsprinsipp og spinteori. Det er skallformete kvantifiserte energinivåer forklart med fire kvantetall. Ikke flere enn ett elektron kan ha samme tilstand i kvanteenergi. Elektronet har et vinkelmoment (spin). Paulis eksklusjonsprinsipp betyr at to elektroner i samme orbital må ha motsatt spin. Ifølge oppbygningsprinsippet fylles lavenergiorbitaler med elektroner før høyenergiorbitaler, det fylles opp fra bunnen av. Hunds regel (Friedrich Hund 1896-1997) for elektronkonfigurasjon forteller at elektroner plasseres først alene i hvert sitt ledige orbital som har samme energi, ett elektron i hvert orbital, slik at alle halvfulle, før det kan fylles på videre med elektroner og de danner elektronpar i hvert sitt orbital. Stoffer med uparrete elektroner blir paramagnetiske, i motsetning til de diamagnetiske.
Den franske fysikeren Louis de Broglie framsatte i 1924 en revolusjonerende ide i en doktorgradsavhandling om kvanteteori Rescherches sur la théorie des quanta: all materie vi er omgitt av kan være både en bølge og en partikkel. Bølgenaturen til elektronet kan forklare interferens mellom to elektronstråler. Med Erwin Schrödingers bølgeligning kunne man bestemme sannsynlighetstetten (orbital) for å treffe på et elektron rundt en atomkjerne, og ifølge Heisenbergs usikkerhetsprinsipp kan ikke posisjon og spin til et elektron bestemmes samtidig. Kvadratet av absoluttverdien av bølgefunksjonen psi gir sannsynlighetstettheten. Kvantemekanikk omhandler interaksjon mellom orbitaler og sannsynligheten for å påtreffe et elektron som har energi bestemt av kvantetallene. En Kvantetunnel gjennom en barriære er mulig innen kvantemekanikk, hvor elektroner går igjennom en elektrontunnel i stedet for over barriæren, som det hadde måttet i klassisk forstand. Elektroner som bølge stopper ikke ved en tynn barriære, men det er en viss sannsynlighet for at et elektron kan passere som en bølge gjennom nanometer tynne barriærer og kommer ut på andre siden av barriæren som en bølge med redusert amplitude. I elektrontransportkjedene i kloroplaster og mitokondrier er det ikke urimelig å tenke seg at elektroner kan bevege seg gjennom kvantetunneler.
Attosekundfysikk og registrering av elektronbevegelse
Den franske fysikeren Pierre Agostini (f.1941) ved Ohio State universitetet, ungarsk-amerikanske Ferenc Krausz (f.1962) ved Max Planck instituttet for kvanteoptikk og Anne L’Huillier (f. 1958) professor i atomfysikk ved Universitetet i Lund fikk Noelprisen i fysikk 2023 « for eksperimentelle metoder for å generere attosekund pulser med lys for å studere elektrondynamikk i materie». Tidsskalaen for kvantefysikk og bevegelse av et elektron i et atom eller molekyl er i størrelsesorden attoskund. En kvantepartikkel kan være i superposisjon mellom et grunn-nivå og i en ekistert tilstand. For elektroner er det en sannsylighetstetthet (orbital) for å befinne seg i en posisjon rundt et atom, men med attosekundfysikk er det mulig å følge bevegelsen og forflytningen til elektroner som et «høyhastighetskamera» som tar et «bilde» hvert attosekund. Laserlys har en bestemt bølgelengde og frevekvens for eksempel en nær infrarød laser med bølgelengde 800 nanometer. Når et lsikt laserlys (eleketromagnetisk stråling) sendes gjennom en gass vil det kunne eksitere elektroner i gassmolekylene og som deretter faller tilbake til grunntilstanden og sender ut eksitasjonsenergien. Et attosekund er 10-18 sekund fotonpulser brukt til å studere forflytning av elektroner i materialer, for eksempel ekisitasjon av elektroner i biologi og fotosyntese.
Litteratur
Wikipedia