Електрон (; , або у ядерних реакціях) — субатомна частинка з електричним зарядом, що дорівнює мінус одному елементарному електричному зарядові (−e = −1,6021892(46) × 10−19 Кл). Має масу 9,109554(906) × 10−31 кг. Це фундаментальна частинка, яка разом із u-кварками та d-кварками становить звичайну речовину, з якої складається Всесвіт.

Електрони є надзвичайно легкими частинками. В атомах хвилі де Бройля електрона займають атомні орбіталі навколо позитивно зарядженого ядра атома. Конфігурація та енергетичні рівні електронів визначають хімічні властивості атома. Електрони зв'язані з ядром із різною міцністю. Зовнішні, або валентні електрони, зв'язані найслабше й відповідають за утворення хімічних зв'язків між атомами, унаслідок чого виникають молекули та кристали. Ці електрони забезпечують перебіг усіх типів хімічних реакцій, оскільки можуть передаватися між атомами або спільно використовуватися ними. Внутрішні електронні оболонки формують атомний остов.

Поняття електрона пояснює численні фізичні явища. У металах зовнішні електрони є делокалізованими і можуть вільно рухатися, що зумовлює високу електропровідність і теплопровідність. У напівпровідниках кількість рухомих носіїв заряду (електронів і дірок) можна точно регулювати за допомогою легування та випромінювання, а також зміною температури та напруги, що лежить в основі сучасної електроніки.

Електрони можуть існувати як вільні частинки. У вигляді пучків частинок у вакуумі їх можна прискорювати, фокусувати та використовувати в таких приладах і технологічних процесах, як електронно-променева трубка, електронний мікроскоп, електронно-променеве зварювання, електронна літографія та прискорювач заряджених частинок, що генерує синхротронне випромінювання.

Характеристика Електрони належать до першого покоління родини лептонів, тобто елементарних частинок, які не беруть участи в сильній ядерній взаємодії, а лише в електромагнітній, слабкій та гравітаційній взаємодіях. Зазвичай електрони вважають фундаментальними частинками, позаяк вони не мають відомої внутрішньої будови. Маса електрона становить приблизно маси протона. У межах квантової механіки електрон має власний момент імпульсу (спін), що дорівнює половині зведеної сталої Планка, тобто . Фактор Ланде для електрона дорівнює 2, а g-фактор — −2,0023193043622(15). Як ферміони, електрони підкоряються принципу заборони Паулі: жодні два електрони не можуть перебувати в одному квантовому стані. Як і всі елементарні частинки, електрони проявляють властивості і частинок, і хвиль. Наприклад, вони можуть стикатися як частинки з іншими частинками, а можуть зазнавати дифракції подібно до світлових хвиль. Хвильові властивості електронів легше спостерігати експериментально, ніж хвильові властивості нейтронів і протонів, позаяк електрони мають меншу масу й, відповідно, більшу довжину хвилі де Бройля за рівних умов.

Електрони відіграють основну роль у таких явищах, як електрика, магнетизм, хімія та теплопровідність, а також беруть участь у гравітаційних, електромагнітних та слабких взаємодіях. Позаяк електрон має заряд, то він створює навколо себе електричне поле, а якщо він рухається відносно спостерігача, то спостерігач побачить ще й магнітне поле. Електромагнітні поля інших джерел впливають на рух електрона відповідно до сили Лоренца. Під час прискорення електрони випромінюють або поглинають енергію у вигляді фотонів.

Лабораторні прилади здатні утримувати окремі електрони, а також електронну плазму за допомогою електромагнітних полів. Спеціальні телескопи дають змогу виявляти електронну плазму в космічному просторі. Властивості електронів знайшли застосування у багатьох приладах та технологічних процесах, зокрема в трибології (заряджанні тертям), електролізі, електрохімії, акумуляторних технологіях, електроніці, зварюванні, електронно-променевих трубках, фотоефекті, сонячних фотоелектричних панелях, електронній мікроскопії, променевій терапії, лазерах, газорозрядних детекторах і прискорювачах заряджених частинок.

Взаємодії електронів з іншими субатомними частинками становлять інтерес у хімії та ядерній фізиці. Атоми складаються з позитивних протонів у ядрі та негативних електронів навколо нього, утримуваних кулонівською взаємодією. Іонізація (різниця між кількістю електронів і зарядом ядра) або спільне використання електронів між двома чи більше атомами є головними причинами утворення хімічних зв'язків.

Електрони беруть участь у ядерних реакціях, зокрема в зоряному нуклеосинтезі, де їх називають бета-частинками. Вони можуть утворюватися під час бета-розпаду радіоактивних ізотопів або в високоенергетичних зіткненнях, наприклад, коли космічні промені входять в атмосферу. Античастинкою для електрона є позитрон, який має такий самий за величиною, але протилежний за знаком заряд. Під час зіткнення електрона з позитроном ці частинки анігілюють одна одну, утворюючи гамма-промені у вигляді фотонів.

Електрон — стабільна частинка, його час життя принаймні перевищує 1026 років. Питання про стабільність електрона зв'язане із законом збереження електричного заряду.

Назва Слово «електрон» давньогрецького походження (), у перекладі «ясний камінь», так називався бурштин. Стародавні греки знали, що якщо потерти бурштин, то він притягуватиме пір'я. Надалі Вільям Гілберт у своїй праці «Про магніт» (1600) назвав електричною незриму силу, яка відштовхує і притягує .

Історія

Відкриття дії електричної сили Давні греки помітили, що бурштин притягує дрібні предмети, якщо його потерти шерстю. Разом із блискавкою це явище є одним із найдавніших зафіксованих проявів електрики. У трактаті Про магніт (1600) англійський учений Вільям Гілберт увів термін новолатинського походження для позначення речовин, які, подібно до бурштину, після натирання набувають властивости притягувати дрібні об'єкти. Обидва слова — electric і electricity — походять від латинського (яке дало назву однойменному сплаву), що, своєю чергою, походить від грецького слова () — «бурштин».

Відкриття двох видів заряду На початку 1700-х років французький хімік Шарль Франсуа Дюфе виявив, що якщо заряджена золота фольга відштовхується склом, натертим шовком, то ця сама заряджена фольга притягується бурштином, натертим шерстю. На підставі цього та інших подібних дослідів Дюфе дійшов висновку, що електрика складається з двох : скляного (vitreous), що виникає при натиранні скла шовком, і смоляного (resinous), що виникає при натиранні бурштину шерстю. Ці два «флюїди» можуть взаємно нейтралізуватися, якщо їх поєднувати один з одним. Американський учений згодом незалежно дійшов такого самого висновку. Через десять років Бенджамін Франклін припустив, що електрика походить не від різних типів електричних флюїдів, а від єдиного «електричного флюїду», який може мати надлишок (+) або нестачу (−). Саме він увів сучасну номенклатуру зарядів — позитивного і негативного відповідно. Франклін вважав носій заряду позитивним, однак не визначив правильно, у якому випадку має місце надлишок носіїв заряду, а в якому — їхня нестача.

У 1838—1851 роках британський натурфілософ розробив ідею про те, що атом складається з ядра речовини, оточеного субатомними частинками, які мають одиничні електричні заряди. Починаючи з 1846 року, німецький фізик Вільгельм Едуард Вебер припускав, що електрика складається з позитивно і негативно заряджених «флюїдів», а їхня взаємодія підкоряється законові обернених квадратів. Вивчивши явище електролізу в 1874 році, ірландський фізик Джордж Стоні висловив припущення, що існує «неподільна кількість електрики» — заряд одновалентного іона. Йому вдалося оцінити значення цього елементарного заряду e за допомогою законів Фарадея. Проте Стоні вважав, що ці заряди постійно пов'язані з атомами і не можуть бути відокремлені. У 1881 році німецький фізик Герман фон Гельмгольц твердив, що як позитивні, так і негативні заряди складаються з елементарних частин, кожна з яких «поводиться як атом електрики».

Спочатку, у 1881 році, Стоні запропонував термін electrolion. Через десять років він став позначати елементарні заряди словом electron, і в 1894 році писав:…Було здійснено оцінку фактичної величини цієї надзвичайної фундаментальної одиниці електрики, для якої я відтоді наважився запропонувати назву electron.Пропозиція 1906 року змінити назву на electrion не прижилася, позаяк Гендрік Антон Лоренц наполягав на збереженні терміна electron. Слово electron утворилося від слів electric та ion«electron, n.2». OED Online. March 2013. Oxford University Press. Accessed 12 April 2013 . Своєю чергою, від нього утворився суфікс -он, який нині використовують для позначення інших субатомних частинок, як-от протон або нейтрон.

Відкриття вільних електронів поза речовиною

Досліджуючи електропровідність у газах у 1859 році, німецький фізик Юліус Плюккер зауважив, що випромінювання, яке виходить із катода, спричиняє появу фосфоресцентного світіння на стінці трубки поблизу катода; причому цю ділянку світіння можна було переміщувати за допомогою магнітного поля. У 1869 році учень Плюккера установив, що тверде тіло, розміщене між катодом і фосфресцентною поверхнею, відкидає тінь на цю ділянку трубки. Гітторф дійшов висновку, що катод випускає прямолінійні промені, а світіння зумовлене їхнім ударом об стінки трубки. Крім того, він виявив, що ці промені відхиляються магнітами подібно до струмів.

У 1876 році німецький фізик показав, що промені випромінюються перпендикулярно до поверхні катода, чим відрізняються від світіння лампи розжарення. Ґольдштайн назвав їх катодними променями. Десятиліття експериментальних і теоретичних досліджень катодних променів відіграли важливу роль у подальшому відкритті електрона Джозеф Джон Томсоном. А ще Гольдштейн проводив експерименти з подвійними катодами і припускав, що один промінь може відштовхувати інший, утім не вважав, що йдеться про частинки.

У 1870-х роках англійський хімік і фізик сер Вільям Крукс створив першу катодно-променеву трубку, яка містила глибокий вакуум. У 1874 роЦі він показав, що катодні промені можуть обертати маленьке лопатеве колесо, якщо воно розташоване на їхньому шляху. Звідси він зробив висновок, що вони переносять імпульс. Ба більше, застосувавши магнітне поле, він зміг відхиляти промені, що свідчило про їхню поведінку як негативно зарядженого пучка. У 1879 році він припустив, що ці властивості можна пояснити, якщо розглядати катодні промені як потік негативно заряджених газоподібних молекул у четвертому агрегатному стані, де середня довжина вільного пробігу настільки велика, що зіткненнями можна знехтувати.

У 1883 році ще маловідомий тоді німецький фізик Генріх Герц намагався довести, що катодні промені електрично нейтральні, і дійшов висновку про відсутність їх відхилення в електростатичному полі (на відміну від магнітного). Однак, як пояснив Джозеф Джон Томсон у 1897 році, Герц розмістив відхиляльні електроди в ділянці трубки з високою провідністю, що спричинило сильне екранування поблизу їхньої поверхні.

Німецько-британський фізик Артур Шустер розвинув експерименти Крукса, розмістивши металеві пластини паралельно катодним променям і приклавши між ними електростатичний потенціал. Поле відхиляло промені в напрямку позитивно зарядженої пластини, що стало додатковим доказом їхнього негативного заряду. Вимірюючи величину відхилення для заданих електричного і магнітного полів, У 1890 році Шустер зміг оцінити відношення заряду до маси компонентів променя. Однак отримане значення в понад тисячу разів перевищувало очікуване, тому тоді його розрахункам не довіряли. Тоді ще припускали, що носіями заряду є значно важчі атоми водню або азоту. Згодом виявилося, що оцінки Шустера були загалом правильними.

У 1892 році Гендрік Лоренц припустив, що маса цих частинок (електронів) може бути наслідком їхнього електричного заряду.