Lelettrone è una particella subatomica con carica elettrica negativa che si ritiene essere una particella elementare..
Insieme ai protoni e ai neutroni, è un componente dell'atomo e, sebbene contribuisca alla sua massa totale per meno dello 0,06%, ne caratterizza sensibilmente la natura e ne determina le proprietà chimiche: il legame chimico covalente si forma in seguito alla redistribuzione della densità elettronica tra due o più atomi.. Il moto dell'elettrone genera un campo magnetico, mentre la variazione della sua energia e della sua accelerazione causano l'emissione di fotoni; è inoltre responsabile della conduzione della corrente elettrica e del calore.
La maggior parte degli elettroni presenti nell'universo è stata prodotta dal Big Bang, ma possono essere generati anche dal decadimento beta degli isotopi radioattivi e in collisioni ad alta energia, mentre possono essere annichilati dalla collisione con i positroni o assorbiti in un processo di nucleosintesi stellare. L'avvento dell'elettronica e il relativo sviluppo dell'informatica hanno reso l'elettrone protagonista dello sviluppo tecnologico del ventesimo secolo. Le sue proprietà vengono sfruttate in svariate applicazioni, come i tubi a raggi catodici, i microscopi elettronici, la radioterapia e il laser.
Storia
Origine del termine
I termini "elettricità, "elettrico" derivano dalla parola greca ἤλεκτρον (pronuncia èlectron), il cui significato è ambra, una resina lucente, ma stava a indicare anche una lega, o amalgama, di oro e argento. Tale nome è storicamente dovuto al fatto che l'ambra ebbe un ruolo fondamentale nella scoperta dei fenomeni elettrici: in particolare a partire dal VII secolo a.C. gli antichi Greci erano a conoscenza del fatto che strofinando un oggetto di ambra con un panno di lana, l'oggetto in questione acquisiva la capacità di attirare a sé corpuscoli leggeri, quali ad esempio granelli di polvere.
Questa proprietà che si manifestava e il bagliore del fulmine furono i primi contatti a quei tempi con i fenomeni dovuti all'elettricità. Queste evidenze sperimentali vennero riprese nel XVI secolo da William Gilbert, che individuò numerose sostanze, tra cui il diamante e lo zolfo, che presentavano lo stesso comportamento dell'ambra. Egli diede il nome di "forza elettrica" alla forza che attirava i corpuscoli, e chiamò "elettrizzati" i materiali che manifestavano tale proprietà.
Gli studi sull'elettricità e sul magnetismo furono continuati in epoca moderna fra gli altri da Benjamin Franklin e Michael Faraday, e in questo periodo nel contesto dell'atomismo fu avanzata l'idea che anche l'elettricità potesse essere costituita da piccoli corpuscoli indivisibili. L'idea di una quantità fondamentale di carica elettrica fu introdotta dal filosofo Richard Laming nel 1838 per spiegare le proprietà chimiche dell'atomo..
Nel 1874 il fisico irlandese George Stoney introdusse il concetto di "unità di carica fondamentale". Nel 1891 ne stimò il valore e coniò il termine "elettrone" per riferirsi a tali "unità", scrivendo:
La terminazione -on (-one in italiano) di «elettrone» e di «protone» (scoperto nel 1920) venne usata in seguito per designare altre particelle subatomiche scoperte successivamente, come il neutrone, il mesone, il pione etc.
La scoperta
Le prime prove sperimentali dell'esistenza di questa particella si ebbero nel 1860, quando il fisico e chimico inglese Sir William Crookes effettuò esperimenti con il tubo di Geissler, inserendovi due lamine metalliche e collegandole a un generatore di corrente continua a elevato potenziale (circa ). Durante tale esperimento, Crookes si accorse che si generava una luce avente una colorazione differente a seconda del gas utilizzato. Tale emissione luminosa aveva origine dal catodo (polo negativo) e fluiva verso l'anodo (polo positivo).
In seguito all'esperienza di Crookes, anche il fisico tedesco Johann Wilhelm Hittorf nel 1869, mentre si stava dedicando ad uno studio sulla conduttività elettrica dei gas, evidenziò un bagliore emesso dal catodo e verificò che aumentava in intensità con il decrescere della pressione del gas. Nel 1876 il fisico tedesco Eugen Goldstein mostrò che i raggi di tale bagliore proiettano un'ombra e li chiamò "raggi catodici".Dahl (1997:55–58). Durante gli anni settanta del XIX secolo, Crookes sviluppò il primo tubo catodico con un vuoto spinto all'interno, dimostrando che i raggi luminescenti che appaiono all'interno del tubo trasportano energia e si muovono dal catodo all'anodo. Inoltre, applicando un campo magnetico, fu in grado di deflettere i raggi, dimostrando che il fascio si comporta come se fosse carico negativamente.Dahl (1997:64–78). Nel 1879, Crookes avanzò l'idea che queste proprietà potessero essere spiegate da quella che denominò "materia radiante" e suggerì che si doveva trattare di un nuovo stato della materia, consistente di molecole cariche negativamente che sono espulse ad alta velocità dal catodo.
Il fisico inglese di origini tedesche Arthur Schuster proseguì gli esperimenti di Crookes posizionando delle piastre metalliche parallele ai raggi catodici e applicando un potenziale elettrico fra loro. Il campo deflesse i raggi verso la piastra carica positivamente, confermando che i raggi trasportano carica negativa. Misurando l'ammontare della deflessione per una data intensità di corrente elettrica, nel 1890 Schuster fu in grado di stimare il rapporto fra la massa e la carica dei componenti dei raggi catodici. Tuttavia, tale stima fu ritenuta poco attendibile dai suoi contemporanei poiché risultò migliaia di volte superiore alle attese.Dahl (1997:99).
Negli ultimi anni dell'Ottocento numerosi fisici sostennero la possibilità che l'elettricità fosse costituita da unità discrete, alle quali vennero conferiti vari nomi, ma delle quali non vi fu alcuna prova sperimentale convincente. Nel 1896, il fisico britannico J. J. Thomson, con i suoi colleghi John S. Townsend e H. A. Wilson, svolsero una serie di esperimenti che dimostrarono che i raggi catodici erano costituiti da singole particelle, piuttosto che onde, atomi o molecole come si riteneva in precedenza. Thomson stimò in maniera accurata la carica e la massa, trovando che le particelle dei raggi catodici, che lui chiamò "corpuscoli", avevano probabilmente una massa migliaia di volte inferiore a quella dell'idrogenione (H+), lo ione più leggero che si conoscesse a quel tempo. Thomson mostrò come il rapporto carica/massa (e/m), uguale a , fosse indipendente dal materiale del catodo. Inoltre mostrò come le particelle cariche negativamente prodotte dai materiali radioattivi, dai materiali riscaldati e dai raggi catodici fossero riconducibili tutte alla stessa entità.
Il nome "elettrone" fu nuovamente proposto per identificare tali particelle dal fisico irlandese George FitzGerald e da allora il nome venne universalmente accettato. Mentre studiava i minerali naturalmente fluorescenti nel 1896, il fisico francese Henri Becquerel scoprì che essi emettono radiazione senza l'intervento di una sorgente di energia esterna. Tali materiali radioattivi divennero argomento di grande interesse da parte degli scienziati, fra cui anche il fisico neozelandese Ernest Rutherford, il quale scoprì che emettevano particelle, da lui chiamate particelle alfa e beta, sulla base della loro capacità di penetrare la materia. Nel 1900, Becquerel mostrò che i raggi beta emessi dal radio potevano essere deflessi da un campo elettrico e che il loro rapporto massa-carica era lo stesso dei raggi catodici. Tale evidenza sperimentale suggeriva che gli elettroni esistevano come componenti degli atomi.Buchwald and Warwick (2001:90–91).
La carica degli elettroni fu misurata con maggiore precisione dal fisici americani Robert Millikan e Harvey Fletcher nel loro esperimento della goccia d'olio del 1909, i cui risultati furono pubblicati nel 1911. In tale esperimento venne usato un campo elettrico per frenare la caduta, dovuta alla gravità, di una goccia d'olio elettricamente carica. Grazie a tale apparato strumentale, fu possibile misurare la carica elettrica prodotta da pochi ioni (tra 1 e 150) con un margine di errore inferiore allo 0,3%. Si ottenne un valore pari a e fu quindi possibile stimare che la massa dell'elettrone dovesse valere . Un simile esperimento era stato condotto in precedenza dal gruppo di Thomson, usando nubi di gocce di acqua cariche generate tramite l'elettrolisi, e nel 1911 da Abram Ioffe, che ottenne in maniera indipendente lo stesso risultato di Millikan usando microparticelle di metallo cariche, pubblicando i risultati nel 1913. Pubblicazione originale in russo: Tuttavia, le gocce d'olio risultavano più stabili di quelle dell'acqua a causa della loro bassa velocità di evaporazione e quindi maggiormente adatte per svolgere esperimenti precisi per un lungo periodo di tempo.
Attorno all'inizio del ventesimo secolo, fu scoperto che sotto certe condizioni una particella carica che si muove ad elevata velocità causa una condensazione di vapore acqueo sovrassaturo lungo il suo cammino. Nel 1911, Charles Wilson sfruttò tale principio per sviluppare la prima camera a nebbia, uno strumento che permette di tracciare e fotografare il percorso seguito da particelle cariche, come gli elettroni veloci.
Teoria atomica
A partire dal 1914, gli esperimenti dei fisici Ernest Rutherford, Henry Moseley, James Franck e Gustav Hertz stabilirono definitivamente che l'atomo è formato da un nucleo massivo carico positivamente circondato da elettroni di massa minore. Nel 1913, il fisico danese Niels Bohr postulò che gli elettroni si trovassero in stati di energia quantizzata, con l'energia determinata dal momento angolare delle orbite degli elettroni attorno al nucleo. La teoria avanzata da Bohr prevedeva inoltre che gli elettroni potessero muoversi tra questi stati (o orbite) in seguito all'assorbimento o all'emissione di un quanto di energia, un fotone di specifica frequenza. Tale teoria era in grado di spiegare la comparsa delle linee di emissione spettrale dell'idrogeno come conseguenza del suo contenuto energetico attraverso riscaldamento o facendolo attraversare da corrente elettrica. Nonostante ciò, il modello di Bohr non era in grado di predire l'intensità delle relative linee e di spiegare la struttura dello spettro di atomi più complessi..
La formazione di legami chimici tra atomi fu spiegata nel 1916 da Gilbert Newton Lewis, il quale asserì che il legame covalente sia generato dalla condivisione di una coppia di elettroni tra due atomi, mentre una descrizione completa sulla formazione di queste coppie e dei legami chimici venne fornita da Walter Heitler e Fritz London nel 1923 grazie alla meccanica quantistica. Nel 1919 il chimico statunitense Irving Langmuir rielaborò il modello statico dell'atomo di Lewis ipotizzando che tutti gli elettroni fossero distribuiti in una serie di gusci (shell) sferici approssimativamente concentrici, tutti di uguale spessore"; tali gusci erano a loro volta suddivisi in celle, ognuna delle quali conteneva una coppia di elettroni. Tramite questo modello, Langmuir spiegò qualitativamente le proprietà chimiche di tutti gli elementi, le quali si ripetono secondo un ordine preciso stabilito dalla tavola periodica.