Elétron

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Estimativas teóricas da densidade do elétron para orbitais do átomo do hidrogênio

O elétron ou electrão é uma partícula sub-atómica de carga negativa. No modelo padrão ele é um lépton, junto com o muão o tau e os respectivos neutrinos. O electrão foi proposto como partícula sub-atômica por J. J. Thompson em 1897. A carga do elétron é de $1,609\times 10^{-19}~{\rm C}$ , e a sua massa é de $9,109\times 10^{-31}~{\rm kg}$ , ou $511,0~{\rm keV/c^2}$ . Normalmente, em física nuclear, a carga do elétron é definida como sendo uma unidade.

O electrão é responsável pelo balanceamento de carga dos átomos. Nas escalas de distâncias dos átomos o comportamento da partícula é regido pela mecânica quântica. Segundo esta, os electrões ficam "espalhados" pela maior parte do átomo, o que é às vezes descrito como uma "nuvem electrônica". Por outro lado, o núcleo comporta a carga positiva do átomo é bem localizado no centro deste.

O electrão, além de interagir com outras partículas pela força electromagnética, também interage pela força nuclear fraca, onde normalmente vem acompanhado do seu neutrino associado. Sua antipartícula é o posítron, com a mesma massa, mas carga positiva. O elétron' ( do grego elektron, âmbar), geralmente representado como e ^- ), é uma partícula sub-atômica. Num átomo, os elétrons rodeiam o núcleo atômico, composto de prótons e neutrons.

[editar] Considerações gerais

Os elétrons apresentam uma carga elétrica muito pequena e seu movimento gera corrente elétrica. Visto que os elétrons das camadas mais externas de um átomo definem as atrações com outros átomos, estas partículas possuem um papel importante na química.

[editar] História e descobrimento do elétron

A existência do elétron foi postulada por G. Johnstone Stoney como uma unidade de carga no campo da eletroquímica. O elétron foi descoberto por Thomson em 1897 no Laboratório Cavendish, da Universidade de Cambridge, enquanto estudava o comportamento dos raios catódicos. Influenciado pelo trabalho de Maxwell e o descobrimento dos raios X, deduziu que no tubo de raios catódicos existiam partículas com carga negativa, que denominou de corpúsculos. Ainda que Stoney haja proposto a existência do elétron, foi Thomson quem descobriu seu caráter de partícula fundamental. Para confirmar a existência do elétron, era necessário medir suas propriedades, em especial a sua carga elétrica. Este objetivo foi alcançado por Millikan, através da célebre experiência da gota de azeite, realizada em 1909.

George Paget Thomson, filho de J.J. Thomson, demonstrou a natureza ondulatória do elétron, provando a dualidade onda-corpúsculo postulada pela mecânica quântica. Esta descoberta lhe valeu o Prêmio Nobel de física de 1937.

O spin do elétron foi observado pela primeira vez pela experiência de Stern-Gerlach. Sua carga elétrica pode ser medida diretamente através de um eletrômetro e a corrente gerada pelo seu movimento com um galvanômetro.

[editar] Os elétrons e a prática

[editar] Classificação dos elétrons

O elétron é um tipo de partícula sub-atômica denominada lépton, acreditando-se que é uma das partículas fundamentais, isto é, que não pode ser dividida em constituintes menores.

A palavra "partícula" não é totalmente correta, porque a mecânica quântica nos indica que os elétrons, em determinadas condições, se comportam como uma onda , fato que ocorre na experiência de dupla fenda. Esta propriedade é denominada dualidade onda-corpúsculo.

[editar] Propriedades e comportamento dos elétrons

O elétron tem uma carga elétrica negativa de −1.6 × 10⁻¹⁹ coulombs e uma massa de 9.10 × 10⁻³¹ kg (0.51 MeV/c²), que é aproximadamente 1840 vezes menor que a massa do próton.

O elétron tem um spin 1/2, implicando que é um férmion, ou seja, que se pode aplicar-lhe a estatística Fermi-Dirac.

Ainda que a maioria dos elétrons façam parte da constituição dos átomos, existem aqueles que se deslocam independentemente pela matéria ou aqueles que se deslocam juntos, formando um feixe de elétrons no vácuo. Em alguns supercondutores os elétrons se movem em pares.

Quando os elétrons que não fazem parte da estrutura do átomo se locomovem e existe um fluxo deles numa determinada direção, este fluxo é chamado de corrente elétrica.

A eletricidade estática não é um fluxo de elétrons. É mais correto denominá-la de "carga estática". Esta carga é causada por um corpo cujos átomos apresentam mais ou menos elétrons que o necessário para equilibrar as cargas positivas dos núcleos dos seus átomos. Quando existe um excesso de elétrons, diz-se que o corpo está carregado negativamente. Quando existem menos elétrons que prótons, o corpo está carregado positivamente. Se o número total de prótons e elétrons é equivalente, o corpo está num estado eletricamente neutro.

Os elétrons e os posítrons podem aniquilar-se mutuamente, produzindo um fóton. De maneira inversa, um fóton de alta energia pode transformar-se em um elétron e um posítron.

O elétron é uma partícula elementar; isso significa que não apresenta uma subestrutura - pelo menos não foi comprovado até agora. Por isso, pode ser representado por um ponto, ou seja, sem extensão espacial. Entretanto, nas cercanias de um elétron, pode-se medir variações na sua massa e na sua carga elétrica. Este é um efeito comum a todas as partículas elementares: a partícula influi nas flutuações do vácuo que o cerca, de forma que as propriedades observadas de maior distância são a soma das propriedades da partícula mais as causadas pelo efeito do vácuo que a rodeia.

Existe uma constante física chamada raio clássico do elétron, com um valor de 2.8179 × 10⁻¹⁵ metros. É preciso considerar que este é o raio que se pode aferir a partir da carga do elétron descrito sob o ponto de vista da eletrodinâmica clássica, não da mecânica quântica. Esta constante baseia-se num conceito defasado, porém útil para alguns cálculos.

[editar] Elétrons no Universo

Acredita-se que o número total de elétrons que caberiam no universo conhecido é da ordem de 10¹³⁰.

[editar] Elétrons na vida cotidiana

A corrente elétrica que abastece com energia as nossas casas é provenientes de elétrons em movimento. O tubo de raios catódicos de um televisor se baseia num feixe de elétrons no vácuo que é desviado por campos magnéticos para atingir uma tela fosforescente. Os semicondutores são utilizados em dispositivos tais como os transístores.

[editar] Elétrons na indústria

Feixes de elétrons são utilizados em soldas

[editar] Elétrons em laboratório

O microscópio eletrônico, que utiliza feixes de elétrons no lugar de fótons, permite ampliar até 500.000 vezes os objetos. Os efeitos quânticos do elétron são a base do microscópio de efeito túnel, que permite estudar a matéria em escala atômica.

[editar] Os elétrons e a teoria

Na mecânica quântica, o elétron é descrito pela equação de Fermi-Dirac. No modelo padrão da física das partículas, forma uma dupla com o neutrino, visto que ambos interagem de forma fraca. O elétron tem os padrões massivos adicionais, o múon e o táon.

O equivalente do elétron na antimatéria, sua antipartícula, é o pósitron, que tem a mesma quantidade de carga elétrica que o elétron, mas positiva. O spin e a massa são iguais no elétron e no pósitron. Quando um elétron e um pósitron colidem, acontece a aniquilação mútua, originando-se dois fótons de raios gama com uma energia de 0,500 Mev cada um.

Os elétrons são um elemento chave no eletromagnetismo, uma teoria adequada desde um ponto de vista clássico, aplicável a sistemas macroscópicos.