Elétron
O elétron(pt-BR) ou eletrão(pt-PT?) é uma partícula subatômica, de símbolo e− ou β−, com carga elétrica negativa. Pertence à primeira geração da família dos léptons, e considera-se que são partículas elementares porque não possuem componentes conhecidos. A massa do elétron é aproximadamente 1/1836 da massa do próton. As propriedades quânticas do elétron incluem um momento angular intrínseco (spin) fracionário, o que significa que é um férmion. Portanto, dois elétrons não podem ocupar o mesmo estado quântico, de acordo com o princípio da exclusão de Pauli. Como toda matéria, possui propriedades de ondas e de corpúsculos: pode colidir com outras partículas, mas também pode ser difratado, assim como a luz. As propriedades ondulatórias dos elétrons são mais fáceis de se observar experimentalmente do que as de outras partículas como os nêutrons e prótons porque os elétrons têm uma massa menor e assim um comprimento de onda de Broglie maior.
Os gregos antigos observaram que o âmbar atraía pequenos objetos quando friccionado com a lã. Junto com o raio, este fenômeno é uma das primeiras observações registradas com a eletricidade. Em seu tratado De Magnete, publicado em 1600, o cientista inglês William Gilbert cunhou o termo em neolatim electricus, para se referir a esta propriedade de atração de pequenos objetos após a fricção. Ambas as palavras elétrico e eletricidade são derivadas da forma latina ēlectrum (que também é a raiz para a liga metálica de mesmo nome), que veio da palavra grega para o âmbar, ἤλεκτρον (ēlektron). No início do século XVII, Francis Hauksbee e Charles François du Fay descobriram de modo independente o que eles acreditavam ser dois tipos de eletricidade, uma gerada a partir da fricção do vidro, e a outra da fricção da resina de âmbar. A partir disto, Du Fay teorizou que a eletricidade consistia de dois fluidos elétricos, vítreo e resinoso, que são separados pela fricção e que se neutralizam quando combinados. Uma década depois, Benjamin Franklin propôs que a eletricidade não era constituída por dois tipos de fluidos elétricos, mas pelo mesmo fluido sob diferentes pressões. Ele deu a eles a nomenclatura atual de carga positiva e negativa. Franklin imaginou que os portadores de carga fossem positivos.
Descoberta
Em 1869, o físico Johann Wilhelm Hittorf estudava a condutividade elétrica em gases rarefeitos e descobriu um brilho emitido do cátodo que aumentava em tamanho com a redução da pressão do gás. Em 1876, o físico Eugen Goldstein demonstrou que os raios deste brilho formavam uma sombra, e os apelidou de raios catódicos. Durante a década de 1870, o físico e químico Sir William Crookes desenvolveu o primeiro tubo de raios catódicos com um vácuo no interior. Ele então demonstrou que os raios luminescentes aparecendo dentro do tubo carregavam energia e se moviam do cátodo para o ânodo. Além disso, ao aplicar um campo magnético, ele foi capaz de defletir os raios, assim demonstrando que os raios se comportavam como se fossem carregados negativamente. Em 1879, propôs que estas propriedades poderiam ser explicadas pelo que ele denominou 'matéria radiante'. Ele então sugeriu que este seria o quarto estado da matéria, consistindo de moléculas carregadas negativamente que eram projetadas com alta velocidade a partir do cátodo.
Teoria atômica
Em 1914, experimentos dos físicos Ernest Rutherford, Henry Moseley, James Franck e Gustav Hertz demonstraram amplamente a estrutura de um átomo como um núcleo de carga positiva cercado por elétrons de baixa massa. Em 1913, o físico Niels Bohr postulou que os elétrons residiam em estados de energia quantizada, com a energia determinada pelo momento angular das órbitas do elétron sobre o núcleo. Os elétrons poderiam se mover entre estes estados, ou órbitas, pela emissão ou absorção de fótons em frequências específicas. Por meio destas órbitas quantizadas, ele explicou com precisão as linhas espectrais do átomo de hidrogênio. Porém, o modelo de Bohr falhou em explicar a intensidade relativa das linhas espectrais e não foi bem sucedido em explicar o espectro de átomos mais complexos.
Mecânica quântica
Em sua dissertação Recherches sur la théorie des quanta (Pesquisa na Teoria Quântica), o físico Louis de Broglie teorizou que toda a matéria possuía uma onda de matéria similar à luz. Isto é, sob condições apropriadas, elétrons e outras matérias iriam demonstrar propriedades tanto de partículas como de ondas. As propriedades corpusculares de uma partícula são demonstradas quando apresentam uma posição localizada no espaço ao longo de sua trajetória em um dado momento. A natureza similar às ondas é observada, por exemplo, quando um raio de luz passa através de fendas paralelas e cria padrões de interferência. Em 1927, o efeito da interferência foi observado em um raio de elétrons pelo físico George Paget Thomson com um filme de metal fino e pelos físicos Clinton Davisson e Lester Germer usando um cristal de níquel.
Aceleradores de partículas
Com o desenvolvimento do acelerador de partículas durante a primeira metade do século XX, os físicos começaram a estudar em profundidade as propriedades das partículas subatômicas. A primeira tentativa bem sucedida de acelerar elétrons usando a indução eletromagnética foi feita em 1942 por Donald Kerst. Seu betatron inicial alcançou a energia de 2,3 MeV, enquanto betatrons subsequentes alcançaram 300 MeV. Em 1947, a radiação síncrotron foi descoberta com um elétron síncroton de 70 MeV pela General Electric. Esta radiação foi causada pela aceleração de elétrons, movendo-se próximos a velocidade da luz através do campo magnético. Com um raio de energia de 1,5 GeV, o primeiro colisor de partículas de alta energia foi o ADONE, que iniciou sua operação em 1968.
Se um corpo tem mais ou menos elétrons do que o necessário para balancear a carga positiva de seu núcleo, então o objeto tem uma carga elétrica líquida. Quando existe um excesso de elétrons, é dito que está carregado negativamente. Quando existem menos elétrons do que o número de prótons no núcleo, é dito que está carregado positivamente. Quando o número de elétrons e prótons é igual, suas cargas se cancelam e o objeto está neutro eletricamente. Um corpo macroscópico pode desenvolver uma carga elétrica pela fricção e pelo efeito triboelétrico. Elétrons independentes se movendo no vácuo são denominados livres. Em metais, também se comportam como se fossem livres. Na realidade as partículas que são comumente chamadas de elétrons nos metais e outros sólidos são quase-elétrons-quasipartículas, que têm a mesma carga elétrica, spin e momento magnético de um elétron real mas podem possuir uma massa diferente.
Classificação
No modelo padrão da física de partículas, os elétrons pertencem ao grupo de partículas subatômicas chamadas de léptons, o qual se acredita ser uma partícula elementar ou fundamental. Os elétrons tem a menor massa de um lépton carregado (ou partícula eletricamente carregada de qualquer tipo) e pertencem à primeira geração de partículas fundamentais. A segunda e a terceira gerações contêm léptons carregados, o múon e o tau, que são idênticos ao elétron em carga, spin e interações fundamentais, porém são mais massivos. Léptons diferem dos outros constituintes básicos das matérias, os quarks, por não interagirem por meio da força forte. Todos os membros do grupo dos léptons são férmions, porque todos eles possuem um spin fracionário; o elétron tem um spin de .mw-parser-output .sfrac{white-space:nowrap}.mw-parser-output .sfrac.tion,.mw-parser-output .sfrac .tion{display:inline-block;vertical-align:-0.5em;font-size:85%;text-align:center}.mw-parser-output .sfrac .num{display:block;line-height:1em;margin:0.0em 0.1em;border-bottom:1px solid}.mw-parser-output .sfrac .den{display:block;line-height:1em;margin:0.1em 0.1em}.mw-parser-output .sr-only{border:0;clip:rect(0,0,0,0);clip-path:polygon(0px 0px,0px 0px,0px 0px);height:1px;margin:-1px;overflow:hidden;padding:0;position:absolute;width:1px}1/2.
Propriedades fundamentais
A massa invariante de um elétron é aproximadamente de 9,109×10−31 quilogramas, ou 5,489×10−4 unidades de massa atômica. Com base no princípio de Einstein da equivalência massa-energia, esta massa corresponde a um resto de energia de 0.511 MeV. A razão entre a massa de um próton e a de um elétron é de aproximadamente 1 836. Medições astronômicas demonstram que a proporção mássica entre o próton e o elétron tem mantido o mesmo valor por pelo menos a metade da idade do universo, conforme foi previsto pelo modelo padrão. Elétrons têm uma carga elétrica de −1,602×10−19 Coulomb, que é utilizada como unidade padrão para a carga de partículas subatômicas, e também é chamada de carga elementar. Esta carga elementar tem uma incerteza relativa padrão de 2,2×10−8. Dentro dos limites da precisão experimental, a carga do elétron é idêntica a do próton, porém com o sinal oposto. Uma vez que o símbolo e é utilizado para a carga elementar, o elétron é comumente simbolizado pelo e−, no qual o sinal negativo indica a carga negativa. O pósitron é simbolizado pelo e+ porque tem as mesmas propriedades que o elétron porém com uma carga positiva ao invés da negativa.
Propriedades quânticas
Assim como todas as outras partículas, os elétrons podem se comportar como ondas. Esta propriedade é denominada dualidade onda-corpúsculo e pode ser demonstrada utilizando a experiência da dupla fenda. A natureza ondulatória do elétron permite que ele passe através de duas fendas paralelas, ao invés de passar somente por uma, como seria esperado para uma partícula clássica. Na mecânica quântica, a propriedade ondulatória de uma partícula pode ser descrita matematicamente como uma função complexa, denominada função de onda, comumente representada pela letra grega psi (ψ). Elétrons são partículas idênticas porque não podem ser distinguidas uma das outras devido a suas propriedades físicas intrínsecas. Na mecânica quântica, isto significa que um par de elétrons interagindo deve ser capaz de mudar de posições sem uma mudança observável para o estado do sistema. A função de onda de férmions, incluindo elétrons, é antissimétrica, o que significa que pode mudar de sinal quando dois elétrons são trocados; isto é ψ(r1, r2) = −ψ(r2, r1), onde as variáveis r1 e r2 correspondem ao primeiro e segundo elétrons, respectivamente. Uma vez que o valor absoluto não é alterado pelo sinal na troca, isto corresponde a probabilidades idênticas. Bósons, tais como o fóton, tem funções de onda simétricas.
Partícula virtual
Em uma visão simplificada, cada fóton passa algum tempo como uma combinação de um elétron virtual com sua antipartícula, o pósitron virtual, que rapidamente se aniquilam. A combinação da variação de energia necessária para criar estas partículas, e o tempo durante o qual elas existem, caem em um limiar de detectabilidade expressado pelo princípio da incerteza de Heisenberg, ΔE · Δt ≥ ħ. Como efeito, a energia necessária para criar estas partículas virtuais, ΔE, pode ser "emprestada" do vácuo quântico por um período de tempo, Δt, então seu produto não é mais do que a constante de Planck reduzida, ħ ≈ 6,6×10−16 eV·s. Assim, para um elétron virtual, Δt é no máximo 1,3×10−21 s.
Interação
Um elétron gera um campo elétrico que exerce uma força atrativa em uma partícula com carga positiva, tal como um próton, e uma força repulsiva em uma partícula negativa. A intensidade desta força é determinada pela lei do inverso do quadrado de Coulomb. Quando o elétron está em movimento, gera um campo magnético. :140 A lei de Ampére-Maxwell relaciona o campo elétrico a massa em movimento do elétron (a corrente elétrica) em relação a um observador. Esta propriedade de indução alimenta o campo magnético que move um motor elétrico. O campo eletromagnético de uma partícula carregada arbitrariamente em movimento é expresso pelo potencial de Liénard–Wiechert, o qual é válido mesmo quando a partícula está próxima da relativística da luz.
Átomos e moléculas
Um elétron pode se ligar ao núcleo de um átomo pela atração da força de Coulomb. Um sistema com um ou mais elétrons conectado a um núcleo é denominado átomo. Se o número de elétrons for diferente da carga elétrica do núcleo, tal átomo é denominado íon. O comportamento similar a onda de uma ligação eletrônica é descrita por uma função denominada orbital atômico. Cada orbital tem seu próprio conjunto de números quânticos tais como energia, momento angular e projeção do momento angular, e somente um conjunto distinto desses orbitais existe em volta do núcleo. De acordo com o princípio da exclusão de Pauli, cada orbital deve ser ocupado por até dois elétrons, que devem diferir em seu número quântico de spin.
A teoria do Big Bang é amplamente aceita para explicar os estágios iniciais da evolução do Universo. Durante o primeiro milissegundo do Big Bang, a temperatura era superior a 10 bilhões Kelvin e os fótons tinham energia media superior a milhares de elétron-volts. Estes fótons tinham energia suficiente para reagir um com outro para formar pares de elétrons e pósitrons. Da mesma forma, os pares de elétron-pósitron se aniquilavam e emitiam fótons energéticos: Um equilíbrio entre elétrons, pósitrons e fótons foi mantido durante esta fase da evolução do Universo. Porém, após 15 segundos terem se passado, a temperatura do universo caiu a um limiar inferior onde a formação elétron-pósitron poderia ocorrer. A maior parte dos elétrons e pósitrons sobreviventes se aniquilou, liberando radiação gama que reaqueceu o universo. Por razões que permanecem incertas, durante o processo de leptogênese havia um excesso no número de elétrons em relação aos pósitrons. Assim, aproximadamente um elétron a cada bilhão sobreviveu ao processo de aniquilação. Este excesso foi compatível com o excesso de prótons em relação aos antiprótons, em uma condição conhecida como assimetria bariônica, que resultou em uma carga líquida de zero para o universo. Os prótons e nêutrons remanescentes começaram a participar de reações em um processo conhecido como nucleossíntese, formando isótopos do hidrogênio e hélio, com traços do elemento lítio. Este processo atingiu um máximo após aproximadamente cinco minutos. Os nêutrons remanescentes da nucleossíntese passaram por um decaimento beta negativo com uma meia-vida de aproximadamente mil segundos, liberando um próton e um elétron no processo,
A observação remota de elétrons requer a detecção das suas energias radiadas. Por exemplo, em ambientes altamente energizados como a coroa solar, elétrons livres formam o plasma que irradia energia devido a radiação Bremsstrahlung. O gás de elétron pode ser submetido a oscilação plasmática, que são ondas provocadas por variações sincronizadas na densidade do elétron, e estes produzem emissões energéticas que podem ser detectadas por radiotelescópios. A frequência de um fóton é proporcional a sua energia. Conforme um elétron transita entre diferentes níveis de energia em um átomo, absorve ou emite um fóton em uma frequência característica. Por exemplo, quando átomos são irradiados por uma fonte de espectro amplo, surgem linhas de absorção distintas no espectro da radiação transmitida. Cada elemento ou molécula demonstra um conjunto característico de linhas espectrais, tal como o espectro do átomo de hidrogênio. Medições espectroscópicas da intensidade e tamanho destas linhas permitem determinar a composição e propriedades físicas da substância.
Feixes de partículas
Feixes de elétrons são utilizados na soldagem. Eles permitem densidades energéticas de até 107 W·cm−2 ao longo de um diâmetro focal de 0.1–1.3 mm e normalmente não requerem material de preenchimento. Esta técnica de soldagem precisa ser executada no vácuo para prevenir que os elétrons interajam com os gases antes de atingir seu alvo, e pode ser usada para unir materiais condutivos que seriam incompatíveis para soldagem por outros métodos. A litografia por feixe de elétrons é um método de gravação de semicondutores com resoluções menores que um micrômetro. Esta técnica é limitada pelo alto custo e baixa performance, a necessidade de operar o feixe no vácuo e a tendência dos elétrons se dissiparem no sólido. O último problema limita a uma resolução de 10 nm. Por esta razão, só é utilizada para a produção de um pequeno número de circuitos integrados especializados.
Imagiologia
A difração de elétrons de baixa energia é um método de bombardear um material cristalino com um feixe de elétrons alinhado e então observar o padrão de difração resultante para determinar a estrutura do material. É requerida uma energia na faixa de 20–200 eV. A técnica de difração de elétrons de alta energia usa a reflexão de um feixe de elétrons disparado em vários ângulos pequenos para caracterizar a superfície do material cristalino. O feixe de energia normalmente está na faixa de 8–20 keV e o ângulo de incidência é de 1–4°. A microscopia eletrônica direciona um feixe de elétrons sobre o espécime. Alguns elétrons mudam suas propriedades, tais como a direção do movimento, ângulo, e energia e fase relativa conforme interagem com o material. Os microscopistas podem registrar estas mudanças no feixe de elétrons e reproduzir imagens de nível atômico do material. Sob luz azul, a microscopia ótica convencional tem uma resolução de difração limitada a aproximadamente 200 nm. Em comparação, a microscopia eletrônica é limitada ao comprimento de onda de Broglie do elétron, que é igual a 0.0037 nm para partículas aceleradas através de um potencial de 100 000-Volts. O Microscópio eletrônico de transmissão de aberração corrigida é capaz de atingir uma resolução inferior a 0.05 nm, que é mais do que suficiente para visualizar átomos individualmente. Esta capacidade torna a microscopia eletrônica útil para a imagiologia de alta resolução. Entretanto, são instrumentos caros com alto custo de manutenção.
Outras aplicações
No laser de elétrons livres, um feixe de elétrons relativísticos passa através de um par de onduladores que contém uma matriz de imãs dipolares cujos campos apontam em direções alternadas. Os elétrons emitem radiação sincrotrônica que interage de forma coerente com os mesmos elétrons para amplificar o campo de radiação na frequência de ressonância. O laser pode emitir radiação eletromagnética de radiança coerente em uma faixa ampla de frequências, desde o microondas até o raio-X. Os elétrons são importantes em tubos de raios catódicos, onde têm sido amplamente utilizados em dispositivos de imagem em instrumentos de laboratório, monitores de computador e aparelhos de televisão. Em um tubo fotomultiplicador, cada fóton que atinge o fotocátodo inicia uma avalanche de elétrons que produz um pulso de corrente detectável. Tubos de vácuo utilizam um fluxo de elétrons para manipular sinais elétricos, e possuem um papel crítico no desenvolvimento da tecnologia eletrônica. Porém, eles têm sido substituídos por dispositivos de estado sólido tais como transistores.
