ElektronDari Wikipedia bahasa Indonesia, ensiklopedia bebas

Elektron

Perkiraan teoritis rapatan elektron untuk atom Hidrogen dalam beberapa orbit elektron

Komposisi:Partikel dasar

Keluarga:Fermion

Kelompok:Lepton

Generasi:Pertama

Interaksi:Gravitasi,Elektromagnetik,Lemah

Simbol:e,

Antipartikel:Positron(juga disebut antielektron)

Penggagas:Richard Laming(18381851),G. Johnstone Stoney(1874) et. al.

Penemu:J. J. Thomson(1897)[1]

Massa:9,10938215(45) 10-31kg5,4857990943(23) 10-4u[1822,88850204(77)]1u[cat 1]0,510998910(13)MeV/c2

Muatan listrik:1e[cat 2]-1,602176487(40) 10-19C

Momentum magnetik:1,00115965218111B

Spin:12

Elektronadalahpartikelsubatom yang bermuatan negatif dan umumnya ditulis sebagaie-. Elektron tidak memiliki komponen dasar ataupun substruktur apapun yang diketahui, sehingga ia dipercayai sebagaipartikel elementer.[2]Elektron memilikimassasekitar 1/1836 massaproton.[3]Momentum sudut(spin) instrinsik elektron adalah setengah nilai integer dalam satuan, yang berarti bahwa ia termasukfermion.Antipartikelelektron disebut sebagaipositron, yang identik dengan elektron, tapi bermuatan positif. Ketika sebuah elektron bertumbukan dengan positron, keduanya kemungkinan dapat salingberhamburataupunmusnahtotal, menghasilan sepasang (atau lebih)fotonsinar gama.Elektron, yang termasuk ke dalamgenerasikeluarga partikelleptonpertama,[4]berpartisipasi dalam interaksigravitasi, interaksielektromagnetikdaninteraksi lemah.[5]Sama seperti semua materi, elektron memiliki sifat bak partikel maupun bak gelombang (dualitas gelombang-partikel), sehingga ia dapat bertumbukan dengan partikel lain dan berdifraksiseperti cahaya. Oleh karena elektron termasuk fermion, dua elektron berbeda tidak dapat menduduki keadaan kuantum yang sama sesuai denganasas pengecualian Pauli.[4]Konsep muatan listrik yang tidak dapat dibagi-bagi lagi diteorikan untuk menjelaskan sifat-sifat kimiawiatomoleh filsuf alamRichard Lamingpada awal tahun 1838;[6]namaelectrondiperkenalkan untuk menamakan muatan ini pada tahun 1894 oleh fisikawan IrlandiaGeorge Johnstone Stoney. Elektron berhasil diidentifikasikan sebagai partikel pada tahun 1897 olehJ. J. Thomson.[1][7]Dalam banyak fenomena fisika, sepertilistrik,magnetismedankonduktivitas termal, elektron memainkan peran yang sangat penting. Suatu elektron yang bergerak relatif terhadap pengamat akan menghasilkanmedan magnetikdan lintasan elektron tersebut juga akan dilengkungkan oleh medan magnetik eksternal. Ketika sebuah elektron dipercepat, ia dapat menyerap ataupun memancarkan energi dalam bentuk foton. Elektron bersama-sama denganinti atomyang terdiri dariprotondanneutron, membentuk atom. Namun, elektron hanya mengambil 0,06% massa total atom. Gaya tarikCoulombantara elektron dengan proton menyebabkan elektron terikat dalam atom. Pertukaran ataupun perkongsian elektron antara dua atau lebih atom merupakan sebab utama terjadinyaikatan kimia.[8]Menurut teorinya, kebanyakan elektron dalam alam semesta diciptakan pada peristiwaBig Bang(ledakan besar), namun ia juga dapat diciptakan melaluipeluruhan betaisotop radioaktif maupun dalam tumbukan berenergi tinggi, misalnya pada saatsinar kosmismemasuki atmosfer. Elektron dapat dihancurkan melalui pemusnahan dengan positron, maupun dapat diserap semasanukleosintesis bintang. Peralatan-peralatan laboratorium modern dapat digunakan untuk memuat ataupun memantau elektron individual. Elektron memiliki banyak kegunaan dalam teknologi modern, misalnya dalammikroskop elektron,terapi radiasi, danpemercepat partikel.Daftar isi[sembunyikan] 1Sejarah 1.1Penemuan elektron 1.2Teori atom 1.3Mekanika kuantum 1.4Pemercepat partikel 2Karakteristik 2.1Klasifikasi 2.2Ciri-ciri fundamental 2.3Sifat-sifat kuantum 2.4Partikel maya 2.5Interaksi 2.6Atom dan molekul 2.7Konduktivitas 2.8Gerak dan energi 3Pembentukan 4Pengamatan 5Aplikasi 5.1Berkas partikel 5.2Pencitraan 6Lihat pula 7Catatan kaki 8Referensi 9Pranala luar

[sunting]SejarahOrangYunani Kunomemperhatikan bahwaambardapat menarik benda-benda kecil ketika digosok-gosokkan dengan bulu hewan. Selainpetir, fenomena ini merupakan salah satu catatan terawal manusia mengenai listrik.[9]Dalam karya tahun 1600-nyaDe Magnete, fisikawan InggrisWilliam Gilbertmenciptakan istilah baruelectricusuntuk merujuk pada sifat penarikan benda-benda kecil setelah digosok.[10]Bahasa Inggris untuk kataelectricditurunkan dari bahasa Latinlectrum, yang berasal dari bahasa Yunani(lektron) untuk batu ambar.Pada tahun 1737,C. F. du Faydan Hawksbee secara independen menemukan apa yang mereka percaya sebagai dua jenis listrik friksional; satunya dihasilkan dari penggosokan gelas, yang lainnya dihasilkan dari penggosokan resin. Dari sinilah, Du Fay berteori bahwa listrik terdiri dari dua fluida elektris, yaitu "vitreous" dan "resinous", yang dipisahkan oleh gesekan dan menetralkan satu sama lainnya ketika bergabung.[11]Satu dasarwasa kemudian,Benjamin Franklinmengajukan bahwa listrik tidaklah berasal dari fluida elektris yang bermacam-macam, namun berasal dari fluida elektris yang sama di bawah tekanan yang berbeda. Ia memberikan tatanamamuatanpositif dan negatif untuk tekanan yang berbeda ini.[12][13]Antara tahun 1838 dan 1851, filsuf alam BritaniaRichard Lamingmengembangkan gagasan bahwa atom terdiri dari materi inti yang dikelilingi oleh partikel subatom yang memilikimuatan listrik.[14]Awal tahun 1846, fisikawan JermanWilliam Weberberteori bahwa listrik terdiri dari fluida yang bermuatan positif dan negatif, dan interaksinya mematuhihukum kuadrat terbalik. Setelah mengkaji fenomenaelektrolisispada tahun 1874, fisikawan IrlandiaGeorge Johnstone Stoneymengajukan teori bahwa terdapat suatu "satuan kuantitas listrik tertentu" yang merupakan muatan sebuah ionmonovalen. Ia berhasil memperkirakan nilai muatan elementereini menggunakanHukum elektrolisis Faraday.[15]Namun, Stoney percaya bahwa muatan-muatan ini secara permanen terikat pada atom dan tidak dapat dilepaskan. Pada tahun 1881, fisikawan JermanHermann von Helmholtzberargumen bahwa baik muatan positif dan negatif dibagi menjadi beberapa bagian elementer, yang "berperilaku seperti atom dari listrik".[6]Pada tahun 1894, Stoney menciptakan istilahelectronuntuk mewakili muatan elementer ini.[16]Kataelectronmerupakan kombinasi kataelectricdengan akhiranon, yang digunakan sekarang untuk merujuk pada partikel subatomik seperti proton dan neutron.[17][18][sunting]Penemuan elektron

Seberkas elektron dibelokkan menjadi lingkaran oleh medan magnet[19]Fisikawan JermanJohann Wilhelm Hittorfmelakukan kajian mengenaikonduktivitaslistrik dalam gas. Pada tahun 1869, ia menemukan sebuah pancaran yang dipancarkan darikatodeyang ukurannya meningkat seiring dengan menurunnya tekanan gas. Pada tahun 1876, fisikawan JermanEugen Goldsteinmenunjukkan bahwa sinar pancaran ini menghasilkan bayangnya, dan ia menamakannyasinar katode.[20]Semasa tahun 1870-an, kimiawan dan fisikawan InggrisWilliam Crookesmengembangkan tabung katode pertama yangvakum.[21]Ia kemudian menunjukkan sinar berpendar yang tampak di dalam tabung tersebut membawa energi dan bergerak dari katode keanode. Lebih jauh lagi, menggunakan medan magnetik, ia dapat membelokkan sinar tersebut dan mendemonstrasikan bahwa berkas ini berperilaku seolah-olah ia bermuatan negatif.[22][23]Pada athun 1879, ia mengajukan bahwa sifat-sifat ini dapat dijelaskan menggunakan apa yang ia istilahkan sebagai 'materi radian' (radiant matter). Ia mengajukan ini adalahkeadaan materikeempat, yang terdiri darimolekul-molekulbermuatan negatif yang diproyeksikan dengan kecepatan tinggi dari katode.[24]Fisikawan Britania kelahiran JermanArthur Schustermemperluas eksperimen Crookes dengan memasang dua pelat logam secara paralel terhadap sinar katode dan memberikanpotensial listrikantara dua pelat tersebut. Medan ini kemudian membelokkan sinar menuju pelat bermuatan positif, memberikan bukti lebih jauh bahwa sinar ini mengandung muatan negatif. Dengan mengukur besar pembelokan sinar sesuai denganarus listrikyang diberikan, pada tahun 1890, Schuster berhasil memperkirakanrasio massa terhadap muatankomponen-komponen sinar. Namun, perhitungan ini menghasilkan nilai yang seribu kali lebih besar daripada yang diperkirakan, sehingga perhitungan ini tidak dipercayai pada saat itu.[22][25]Pada tahun 1896, fisikawan BritaniaJ. J. Thomson, bersama dengan koleganyaJohn S. TownsenddanH. A. Wilson,[1]melakukan eksperimen yang mengindikasikan bahwa sinar katode benar-benar merupakan partikel baru dan bukanlah gelombang, atom, ataupun molekul seperti yang dipercayai sebelumnya. Thomson membuat perkiraan yang cukup baik dalam menentukan muatanedan massam, dan menemukan bahwa partikel sinar katode, yang ia sebut "corpuscles" mungkin bermassa seperseribu massa ion terkecil yang pernah diketahui (hidrogen).[7]Ia menunjukkan bahwa nisbah massa terhadap muatan,e/m, tidak tergantung pada material katode. Ia lebih jauh lagi menunjukkan bahwa partikel bermuatan negatif yang dihasilkan oleh bahan-bahan radioaktif, bahan-bahan yang dipanaskan, atau bahan-bahan yang berpendar bersifat universal.[26]Nama elektron kemudian diajukan untuk menamakan partikel ini oleh fisikawan IrlandiaGeorge F. Fitzgerald, dan seterusnya mendapatkan penerimaan yang universal.[22]Manakala sedang mengkaji mineralfluoresenspada tahun 1896, fisikawan PerancisHenri Becquerelmenemukan bahwa mineral tersebut memancarkan radiasi tanpa terpapar sumber energi eksternal. Bahanradioaktifini menarik perhatian banyak ilmuwan, meliputi ilmuwanSelandia BaruErnest Rutherfordyang menemukan bahwa partikel ini memancarkan partikel. Ia melabeli partikel inipartikel alfadanpartikel betaberdasarkan kemampuannya menembus materi.[27]Pada tahun 1900, Becquerel menunjukkan bahwa emisi sinar beta olehradiumdapat dibelokkan oleh medan listrik, dan rasio massa terhadap muatannya adalah sama dengan rasio massa terhadap muatan sinar katode.[28]Bukti ini menguatkan pandangan bahwa elektron merupakan komponen atom.[29][30]Muatan elektron kemudian diukur lebih seksama lagi oleh fisikawan AmerikaRobert MillikandalamPercobaan tetesan minyakpada tahun 1909. Hasil percobaan ini dipublikasikan pada tahun 1911. Percobaan ini menggunakan medan listrik untuk mencegah tetesan minyak bermuatan jatuh sebagai akibat dari gravitasi. Peralatan yang digunakan dalam percobaan ini dapat mengukur muatan listrik dari 1150 ion denganbatas kesalahankurang dari 0,3%. Percobaan yang mirip dengan percobaan Millikan sebelumnya telah dilakukan oleh Thomson, menggunakan tetesan awan air bermuatan yang dihasilkan dari elektrolisis,[1]dan olehAbram Ioffepada tahun 1911, yang secara independen mendapatkan hasil yang sama dengan Millikan menggunakan mikropartikel logam bermuatan. Ia mempublikasikan hasil percobaannya pada tahun 1913.[31]Namun, tetesan minyak lebih stabil daripada tetesan air karena laju penguapan minyak yang lebih lambat, sehingga lebih cocok digunakan untuk percobaan dalam periode waktu yang lama.[32]Sekitar permulaan abad ke-20, ditemukan bahwa di bawah kondisi tertentu, partikel bermuatan yang bergerak cepat dapat menyebabkan kondensasi uap air yanglewat jenuhdi sepanjang lintasan partikel tersebut. pada tahun 1911,Charles Wilsonmenggunakan prinsip ini untuk membangunbilik kabut, mengijikan pelacakan partikel-partikel bermuatan seperti elektron yang bergerak cepat untuk difoto.[33][sunting]Teori atom

Model atom Bohr, menunjukkan keadaan elektron dengan energiterkuantisasin. Sebuah elektron yang jatuh ke orbit bawah memancarkan foton yang energinya sama dengan selisih energi antar orbit.Pada tahun 1914, percobaan yang dilakukan oleh fisikawan Ernest Rutherford,Henry Moseley,James FranckdanGustav Hertzsecara garis besar telah berhasil membangun model struktur atom sebagaiinti atombermuatan positif yang dikelilingi oleh elektron bermassa kecil.[34]Pada tahun 1913, fisikawan DenmarkNiels Bohrberpostulat bahwa elektron berada dalam keadaan energi terkuantisasi, dengan energinya ditentukan berdasarkan momentum sudut orbit elektron di sekitar inti. Elektron dapat berpindah dari satu keadaan ke keadaan lain (atau orbit) dengan memancarkan emisi ataupun menyerap foton pada frekuensi tertentu. Menggunakan model orbit terkuantisasi ini, ia secara akurat berhasil menjelaskangaris spektrumatom hidrogen.[35]Namun, model Bohr gagal menjelaskan intensitas relatif garis spektrum ini dan gagal pula dalam menjelaskan spektrum atom yang lebih kompleks.[34]Ikatan kimia antaratom dijelaskan olehGilbert Newton Lewis, yang pada tahun 1916 mengajukan bahwaikatan kovalenantara dua atom dijaga oleh sepasang elektron yang dibagikan di antara dua atom yang berikatan.[36]Kemudian, pada tahun 1923,Walter HeitlerdanFritz Londonmemberikan penjelasan penuh mengenai formasi pasangan elektron dan ikatan kimia berdasarkanmekanika kuantum.[37]Pada tahun 1919, kimiawan AmerikaIrving Langmuirmenjabarkan lebih lanjut lagi model statis atom Lewis dan mengajukan bahwa semua elektron terdistribusikan dalam "kulit-kulit bola konsentris, kesemuannya berketebalan sama".[38]Kulit tersebut kemudian dibagi olehnya ke dalam sejumlah sel yang tiap-tiap sel mengandung sepasangan elektron. Dengan model ini, Langmuir berhasil secara kualitatif menjelaskan sifat-sifat kimia semua unsur dalam tabel periodik.[37]Pada tahun 1924, fisikawan AustriaWolfang Paulimemperhatikan bahwa struktur seperi kulit atom ini dapat dijelaskan menggunakan empat parameter yang menentukan tiap-tiap keadaan energi kuantum sepanjang tiap keadaan diduduki oleh tidak lebih dari satu elektron tunggal. Pelarangan adanya lebih dari satu elektron menduduki keadaan energi kuantum yang sama dikenal sebagaiasas pengecualian Pauli.)[39]Mekanisme fisika yang menjelaskan parameter keempat, yang memiliki dua nilai berbeda, diberikan oleh fisikawan BelandaAbraham GoudsmithdanGeorge Uhlenbeckketika mereka mengajukan bahwa elektron, selain momentum sudut orbitnya, juga dapat memiliki momentum sudut intrinsiknya sendiri.[34][40]Ciri ini kemudian dikenal sebagaispin, yang menjelaskan pemisahan garis spektrum yang terpantau padaspektrometerberesolusi tinggi. Fenomena ini dikenal sebagai pemisahanstruktur halus.[41][sunting]Mekanika kuantum

Dalam mekanika kuantum, perilaku elektron dalam atom dijelaskan menggunakanorbital, yang merupakan sebuah distribusi probabilitas dan bukannya orbit. Pada gambar di atas, bagian berwarna menunjukkan probabilitas relatif "penemuan" elektron yang memiliki energi sesuai denganbilangan kuantumpada titik tersebut.Dalam disertasi tahun 1924 berjudulRecherches sur la thorie des quanta(Riset mengenai Teori Kuantum), fisikawan PerancisLouis de Broglieberhipotesis bahwa semua materi memilikigelombang De Broglieyang mirip dengancahaya.[42]Ini berarti bahwa di bawah kondisi yang tepat, elektron dan semua materi dapat menunjukkan sifat-sifat seperti partikel maupun seperti gelombang.Sifat korpuskularpartikel dapat didemonstrasikan ketika ia dapat ditunjukkan memiliki posisi terlokalisasi dalam ruang sepanjang trayektorinya pada waktu apapun.[43]Sifat seperti gelombang dapat dipantau ketika seberkas cahaya dilewatkan melalui celah-celah paralel dan menghasilkan pola-polainterferensi.Pada tahun 1927, efek interferensi ini berhasil ditunjukkan juga berlaku bagi berkas elektron oleh fisikawan InggrisGeorge Paget Thomsonmenggunakan film logam tipis dan oleh fisikawan AmerikaClinton DavissondanLester Germermenggunakan kristalnikel.[44]Suksesnya prediksi de Broglie turut membantuErwin Schrdingeryang pada tahun 1926 mempublikasikanpersamaan Schrdingeryang secara sukses mendeskripsikan bagaimana gelombang elektron merambat.[45]Daripada menghasilkan penyelesaian yang menentukan lokasi elektron seiring dengan berjalannya waktu, persamaan gelombang ini dapat digunakan untuk memprediksikan probabilitas penemuan sebuah elektron dekat sebuah posisi. Pendekatan ini kemudian disebut sebagaimekanika kuantum, yang memberikan perhitungan keadaan energi elektron atom hidrogen dengan sangat tepat. Ketika spin dan interaksi antara banyak elektron diperhitungkan, mekanika kuantum memungkinkan konfigurasi elektron dalam atom bernomor atom lebih tinggi daripada hidrogen diprediksi dengan tepat.[46]Pada tahun 1928, berdasarkan karya Wolfgang Pauli,Paul Diracmenghasilkan model elektron,persamaan Dirac, yang konsisten dengan teori relativitas, dengan menerapkan pertimbangan relativitas dan simetri ke dalam perumusanHamiltonanmekanika kuantum medan elektro-magnetik.[47]Agar dapat memecahkan berbagai masalah dalam persamaan relativistiknya, pada tahun 1930, Dirac mengembangkan model vakum sebagai lautan partikel tak terhingga yang berenergi negatif (dikenal sebagailaut Dirac). Ini mengantar Dirac memprediksikan keberadaan positron,antimateridari elektron.[48]Partikel positron ditemukan pada tahun 1932 olehCarl D. Anderson, yang menyerukan dinamakannya elektron biasa sebagainegatron, danelektrondigunakan sebagai istilah generik untuk merujuk pada kedua partikel tersebut. Penggunaan istilah 'negatron' kadang-kadang masih dapat ditemukan sekarang, dan dapat disingkat menjadi 'negaton'.[49][50]Pada tahun 1947,Willis Lamb, berkolaborasi dengan murid pascasarjananya Robert Retherford, menemukan bahwa keadaan kuantum tertentu atom hidrogen, yang seharusnya berenergi sama, bergeser relatif terhadap satu sama lain. Pergesaran ini disebut sebagaigeseran Lamb. Pada waktu yang bersamaan,Polykarp Kusch, bekerja denganHenry M. Foley, menemukan bahwa momen magnetik elektron sedikit lebih besar daripada yang diprediksikan oleh teori Dirac. Perbedaan kecil ini kemudian disebut sebagaianomali momen dipol magnetikelektron. Untuk memecahkan masalah ini, teori yang disebutelektrodinamika kuantumdikembangkan olehSin-Itiro Tomonaga,Julian SchwingerdanRichard P. Feynmanpada akhir tahun 1940-an.[51][sunting]Pemercepat partikelDengan berkembangnyapemercepat partikelsemasa paruh pertama abad ke-20, fisikawan mulai mengkaji lebih dalam sifat-sifatpartikel subatom.[52]Usaha pertama yang berhasil mempercepat elektron menggunakaninduksi elektromagnetikdilakukan pada tahun 1942 olehDonald Kerst.Betatronawalnya mencapai energi sebesar 2,3 MeV, manakala betatron-betatron selanjutnya berhasil mencapai 300MeV. Pada tahun 1947,radiasi sinkrotronditemukan menggunakan sinkrotron elektron 70MeV diGeneral Electric. Radiasi ini disebabkan oleh percepatan elektron yang bergerak mendekati kecepatan cahaya melalui medan magnetik.[53]Dengan energi berkas sebesar 1,5GeV, penumbuk partikel berenergi tinggiADONEmemulai operasinya pada tahun 1968.[54]Alat ini mempercepat elektron dan positron dengan arah yang berlawanan, secara efektif menggandakan energi tumbukan dibandingkan apabila menumbukkan elektron dengan target yang diam.[55]Large Electron-Positron Collider(LEP) diCERNyang beroperasi dari tahun 1989 sampai dengan tahun 2000 berhasil mencapai energi tumbukan sebesar 209GeV dan berhasil membuat pengukuran untukModel Standarfisika partikel.[56][57][sunting]Karakteristik[sunting]Klasifikasi

Model Standar partikel elementer. Elektron berada pada bagian kiri bawah.Dalam Model Standar fisika partikel, elektron termasuk ke dalam golongan partikel subatom yang disebutlepton, yang dipercayai sebagaipartikel elementer. Elektron memiliki massa yang terendah di antara lepton bermuatan lainnya dan termasuk ke dalam partikel elementergenerasipertama.[58]Generasi kedua dan ketiganya mengandung lepton bermuatan, yaitumuondantauon, yang identik dengan elektron dalam hal muatannya,spin, dan interaksinya, terkecuali keduanya bermassa lebih besar. Lepton berbeda dari konstituen materi lainnya sepertikuarkkarena lepton tidak memilikiinteraksi kuat. Semua anggota golongan lepton adalah termask fermion karena semuanya memiliki spin12.[59][sunting]Ciri-ciri fundamentalMassa invariansebuah elektron adalah kira-kira 9,109 10-31kilogram,[60]ataupun setara dengan 5,489 10-4satuan massa atom. Berdasarkan prinsipkesetaraan massa-energiEinstein, massa ini setara dengan energi rihat 0,511 MeV. Rasio antara massaprotondengan massa elektron adalah sekitar 1836.[3][61]Pengukuran astronomi menunjukkan bahwarasio massa proton terhadap elektrontetap bernilai sama paling tidak selama setengahusia alam semesta, seperti yang diprediksikan oleh Model Standar.[62]Elektron memilikimuatan listriksebesar -1,602 10-19coulomb,[60]yang digunakan sebagai satuan standar untuk muatan partikel subatom. Di bawah ambang batas keakuratan eksperimen, muatan elektron adalah sama dengan muatan proton, namun memiliki tanda positif.[63]Oleh karena simboledigunakan untuk merujuk padamuatan elementer, elektron umumnya disimbolkan sebagaie, dengan tanda minus mengindikasikan muatan negatif. Positron disimbolkan sebagaie+karena ia memiliki ciri-ciri yang sama dengan elektron namun bermuatan positif.[60][59]Elektron memilikimomentum sudutintrinsik atau spin senilai12.[60]Sifat ini biasanya dinyatakan dengan merujuk elektron sebagai partikel spin-12.[59]Untuk partikel seperti ini, besaran spinnya adalah32[cat 3]manakala hasil pengukuran proyeksi spin pada sumbu apapun hanyalah dapat bernilai 2. Selain spin, elektron juga memilikimomen magnetikintrinsik di sepanjang sumbu spinnya.[60]Momen magnetik elektron kira-kira sama dengan satumagneton Bohr,[64][cat 4]dengan konstanta fisika sebesar9,274 009 15(23) 1024joulepertesla.[60]Orientasi spin terhadap momentum elektron menentukanhelisitaspartikel tersebut.[65]Elektron tidak memilikisubstrukturyang diketahui.[2][66]Oleh karena itu, ia didefinisikan ataupun diasumsikan sebagaipartikel titikataupunmuatan titikdan tidak beruang.[4]Pemantaupaun pada satu elektron tunggal dalamperangkap Penningmenunjukkan batasan atas jari-jari partikel sebesar 1022meter.[67]Terdapat sebuah tetapan fisika yang disebut sebagai "jari-jari elektron klasik" yang bernilai 2,8179 10-15m. Namun terminologi ini berasal dari perhitungan sederhana yang mengabaikan efek-efekmekanika kuantum. Dalam kenyataannya, jari-jari elektron klasik tidak memiliki hubungan apapun dengan struktur dasar elektron.[68][cat 5]Terdapatpartikel elementeryang secara spontan meluruh menjadi partikel yang lebih ringan. Contohnya adalahmuonyang meluruh menjadi elektron,neutrino, danantineutrino, dengan waktu paruh rata-rata 2,2 10-6detik. Namun, elektron diperkirakan stabil secara teoritis: elektron merupakan partikel teringan yang bermuatan, sehingga peluruhannya akan melanggarkekalan muatan.[69]Ambang bawah eksperimen untuk rata-rata umur paruh elektron adalah 4,6 1026tahun, dengan taraf keyakinan sebesar 90%.[70][sunting]Sifat-sifat kuantumSeperti semua partikel, elektron dapat berperilaku seperti gelombang. Ini disebut sebagaidualitas gelombang-partikeldan dapat ditunjukkan menggunakanpercobaan celah ganda. Sifat bak gelombang elektron mengizinkannya melewati kedua celah paralel secara bersamaan dan bukannya hanya melewati satu celah. Dalam mekanika kuantum, sifat bak gelombang suatu partikel dapat dideskripsikan secara matematis sebagai fungsi bernilaikompleksyang disebut sebagaifungsi gelombang(). Ketika nilai mutlak fungsi ini dikuadratkan, nilai pengkuadratan ini akan memberikan probabilitas pemantauan suatu partikel dekat seuatu lokasi, disebut sebagairapatan probabilitas.[71]

Contoh gelombang antisimetrik untuk keadaan kuantum dua fermion identik pada kotak dua dimensi. Jika partikel bertukar posisi, fungsi gelombang membalikkan tandanya.Elektron yang satu dengan elektron yang lainnya tidak dapat dibedakan karena sifat fisika intrinsiknya. Dalam mekanika kuantum, hal ini berarti bahwa sepasang elektron yang berinteraksi haruslah dapat bertukar posisi tanpa adanya perubahan keadaan sistem yang terpantau. Fungsi gelombang fermion, termasuk pula elektron, adalah antisimetrik, berarti bahwa ia berubah tanda ketika dua elektron bertukaran; yakni(r1,r2) = (r2,r1), dengan variabelr1danr2adalah elektron pertama dan kedua. Oleh karena nilai mutlak tidak berubah ketika berubah tanda, ini berarti bahwa terdapat probabilitas yang tidak berubah. Berbeda denganfermion,bosonseperti foton memiliki fungsi gelombang simterik.[71]Dalam kasus antisimetri, penyelesaian fungsi gelombang untuk elektron yang berinteraksi menghasilkan probabilitas yang bernilai nol untuk tiap pasangan elektron menduduki lokasi ataupun keadaan yang sama. Hal ini dikenal dengan namaasas pengecualian Pauli. Asas ini menjelaskan banyak sifat elektron.[sunting]Partikel mayaArtikel utama untuk bagian ini adalah:Partikel mayaPara fisikawan percaya bahwa ruang kosong mungkin secara berkesinambungan menciptakan banyak pasang partikel maya seperti positron dengan elektron, yang dengan cepat memusnahkan satu sama lainnya setelah tercipta.[72]Kombinasi variasi energi yang diperlukan untuk menciptakan partikel-partikel ini beserta waktu keberadaan partikel ini berada dalam ambang pendeteksian seperti yang dinyatakan olehPrinsip ketidakpastian Heisenberg, Et. Energi yang diperlukan untuk menciptakan partikel maya ini, E, dapat "dipinjam" darikeadaan vakumuntuk periode waktu t, sedemikian perkalian keduanya tidak lebih dari nilai konstanta Planck tereduksi, 6,6 10-16eVs. Sehingga untuk elektron maya, tterlamanya adalah 1,3 10-21s.[73]

Gambaran skematis pasangan elektron-positron maya yang muncul secara acak dekat sebuah elektron (kiri bawah)Ketika pasangan elektron-positron maya terbentuk,gaya coulombdarimedan listriksekitar elektron menyebabkan positron yang tercipta tertarik ke elektron awal manakala elektron yang tercipta mengalami gaya tolak. Ini menyebabkanpolarisasi vakum. Pada dasarnya, keadaan vakum berperilaku seperti media yang memilikipermitivitas dielektriklebih besar dari satu. Sehingga muatan efektif sebuah elektron biasanya lebih kecil daripada nilai aslinya, dan muatan akan berkurang dengan meningkatnya jarak dari elektron.[74][75]Polarisasi ini dikonfirmasi secara eksperimental pada tahun 1997 menggunakan pemercepat partikel Jepang.[76]Partikel-partikel maya menyebabkan efek pemerisaian untuk massa elektron.[77]Interaksi dengan partikel maya juga menjelaskan penyimpangan momen magnetik intrinsik elektron sebesar 0,1% dari magneton Bohr.[64][78]Kesesuaian yang sangat tepat antara perbedaan yang diprediksikan ini dengan nilai percobaan dipandang sebagai pencapaian besarelektrodinamika kuantum.[79]Dalamfisika klasik, momentum sudut dan momen magnetik suatu objek bergantung pada dimensi fisikanya. Oleh karena itu, konsep elektron tak berdimensi yang memiliki momentum sudut dan momen magnetik tampaknya tidak konsisten. Paradoks ini dapat dijelaskan menggunakan pembentukan foton maya dalam medan listrik yang dihasilkan oleh elektron. Foton-foton maya ini menyebabkan elektron bergeser secara getar-getir (dinamakanZitterbewegung),[80]yang mengakibatkan gerak melingkar denganpresesi. Gerak ini menghasilkan momen magnetik dan spin elektron.[4][81]Dalam atom, penciptaan foton maya ini menjelaskangeseran Lambyang terpantau pada garis spektrum.[74][sunting]InteraksiElektron menghasilkan medan listrik yang menarik partikel bermuatan positif seperti proton dan menolak partikel lain yang bermuatan negatif. Kekuatan gaya tarik/tolak ini ditentukan olehHukum Coulomb.[82]Ketika elektron bergerak, ia menghasilkanmedan magnetik.[83]Hukum Ampre-Maxwellmenghubungkan medan magnetik dengan gerak massa elektron (arus listrik) terhadap seorang pengamat. Medan elektromagnetik partikel bermuatan yang bergerak diekspresikan menggunakanpotensial LinardWiechert, yang berlaku bahkan untuk partikel yang bergerak mendekati kecepatan cahaya.

Sebuah partikel bermuatanq(kiri) bergerak dengan kecepatanvmelalui medan magnetikByang diorientasikan menuju pembaca. Untuk sebuah elektron,qbernilai negatif, sehingga ia mengikuti lintasan yang membelok ke atas.Ketika sebuah elektron bergerak melalui medan magnetik,gaya Lorentzakan memengaruhi arah lintasan elektron tegak lurus terhadap bidang medan magnet dan kecepatan elektron.Gaya sentripetalini menyebabkan lintasan elektron berbentuk heliks. Percepatan yang dihasilkan dari gerak melengkung ini menginduksi elektron untuk memancarkan energi dalam bentuk radiasi sinkrotron.[84][85][cat 6]Emisi energi ini kemudian dapat mementalkan elektron, dikenal sebagaiGaya Abraham-Lorentz-Dirac, yang menciptakan gesekan yang memperlambat elektron. Gaya ini disebabkan oleh reaksi balik medan elektron terhadap dirinya sendiri.[86]Dalamelektrodinamika kuantum, interaksi elektromagnetik antara partikel dimediasi oleh foton. Elektron terisolasi yang tidak dipercepat tidak dapat memancar ataupun menyerap foton; apabila ia menyerap atau memancarkan foton, ini berarti pelanggaranhukum kekekalan energidanmomentum. Walau demikian, foton maya dapat mentransfer momentum antar dua partikel bermuatan. Adalah pertukaran foton maya ini yang menghasilkan gaya Coulomb.[87]Emisi energi dapat terjadi ketika elektron yang bergerak dibelokkan oleh sebuah partikel bermuatan seperti proton. Percepatan elektron menghasilkan pancaran radiasiBremsstrahlung.[88]

Di sini, Bremsstrahlung dihasilkan oleh elektroneyang dibelokkan oleh medan listrik dari inti atom. Perubahan energiE2E1menentukan frekuensiffoton yang dipancarkan.Tumbukan lenting antara sebuah foton (cahaya) dengan sebuah elektron bebas disebut sebagaihamburan Compton. Tumbukan ini menghasilkan transfer momentum dan transfer energi antar partikel, yang mengubah panjang gelombang foton sejumlahgeseran Compton.[cat 7]Besaran maksimum geseran panjang gelombang ini adalahh/mec, yang dikenal sebagaipanjang gelombang Compton.[89]Untuk sebuah elektron, ini bernilai2,43 1012m.[60]Apabila panjang gelombang cahayanya panjang (contohnya panjang gelombangcahaya tampakadalah 0,40,7m), geseran panjang gelombang menjadi sangat kecil. Interaksi antara cahaya dengan elektron bebas seperti ini disebut sebagaihamburan Thomson.[90]Kekuatan relatif interaksi elektromagnetik antara dua partikel bermuatan seperti elektron dengan proton diberikan olehkonstanta struktur halus. Nilai konstanta ini tidak memiliki dimensi dan merupakan nisbah dua energi: energi elektrostatik tarikan (ataupun tolakan) pada pemisahan satu panjang gelombang Compton dengan energi rihat muatan. Ia bernilai7,297353 10-3, ataupun kira-kira sama dengan1137.[60]Ketika elektron dan positron bertumbukan, keduanya akanmemusnahkansatu sama lainnya, menghasilkan dua atau lebih sinar foton gama. Jika elektron dan positronnya memiliki momentum yang dapat diabaikan,atom positroniumdapat terbentuk sebelum pemusnahan, menghasilkan dua atau tiga foton sinar gama berenergi sebesar 1,022MeV.[91][92]Di sisi lain, foton berenergi tinggi dapat berubah menjadi elektron dan positron kembali dalam suatu proses yang dinamakanproduksi pasangan, namun hanya terjadi dengan keberadaan partikel bermuatan di dekatnya, seperti inti atom.[93][94][sunting]Atom dan molekulArtikel utama untuk bagian ini adalah:Atom

Animasi yang menunjukkan bagaimana dua atom oksigen berinteraksi membentuk molekul oksigen (O2). Awan merah yang berpendar mewakili orbital elektron tiap-tiap atom. Orbital atom 2s dan 2p atom oksigen awal dapat terlihat bergabung menjadi orbital sigma dan orbital pi, menjadikan atom terikat bersama. Orbital 1s tidak bergabung dan dapat terlihat sebagai dua bulatan kecil yang terpisahElektron dapatterikatpada inti atom melalui gaya tarik menarik Coulomb. Suatu sistem berelektron banyak yang terikat pada inti atom disebut sebagai atom. Jika jumlah elektron berbeda dari muatan listrik inti, atom tersebut dinamakan sebagaiion. Perilaku elektron terikat yang seperti gelombang dideskripsikan menggunakan fungsi matematika yang disebutorbital atom. Tiap-tiap orbital atom memiliki satu set bilangan kuantumnya sendiri, yaitu energi, momentum sudut, dan proyeksi momentum sudut. Menurut asas pengecualian Pauli, tiap orbital hanya dapat diduduki oleh dua elektron, yang harus berbeda dalam bilangan kuantum spinnya.Elektron dapat berpindah dari satu orbtial ke orbital lainnya melalui emisi ataupun absorpsi foton yang energinya sesuai dengan perbedaan potensial antar orbital.[95]Metode perpindahan orbital lainnya meliputi pertumbukan dengan partikel elektron lain danefek Auger.[96]Agar dapat melepaskan diri dari atom, energi elektron haruslah ditingkatkan melebihienergi pengikatannya. Ini terjadi padaefek fotolistrik, di mana foton yang berenergi lebih tinggi darienergi ionisasiatom diserap oleh elektron.[97]Momentum sudut orbital elektron terkuantisasi. Oleh karena elektron bermuatan, ia menghasilkan momen magnetik orbital yang proposional terhadap momentum sudut. Keseluruhan momen magnetik sebuah atom adalah setera dengan jumlah vektor momen magnetik orbital dan momen magnetik spin keseluruhan elektron dan inti atom. Namun, momen magnetik inti sangatlah kecil dan dapat diabaikan jika dibandingkan dengan elektron. Momen magnetik dari dua elektron yang menduduki orbital yang sama (disebut elektron berpasangan) akan saling meniadakan.[98]Ikatan kimiaantaratom terjadi sebagai akibat dari interaksi elektromagnetik, sebagaimana yang dijelaskan oleh hukum mekanika kuantum.[99]Ikatan yang terkuat terbentuk melaluiperkongsianelektron maupuntransfer elektrondi antara atom-atom, mengizinkan terbentuknyamolekul.[8]Dalam molekul, pegerakan elektron dipengaruhi oleh beberapa inti atom dan elektron mendudukiorbital molekul, sama halnya dengan elektron yang mendudukiorbital atompada atom bebas.[100]Faktor mendasar pada struktur molekul adalah keberadaanpasangan elektron. Kedua elektron yang berpasangan memiliki spin yang berlawanan, mengizinkan keduanya menduduki orbital molekul yang sama tanpa melanggar asas pengecualian Pauli. Orbital-orbital molekul yang berbeda memiliki distribusi spasial rapatan elektron yang berbeda pula. Sebagai contohnya, pada elektron berpasangan yang terlibat dalam ikatan, elektron dapat ditemukan dengan probabilitas yang tinggi disekitar daerah inti atom tertentu yang sempit, manakala pada elektron berpasangan yang tidak terlibat dalam ikatan, ia dapat terdistribusi pada ruang yang luas di sekitar inti atom.[101][sunting]Konduktivitas

Petirutamanya terdiri dari aliran elektron.[102]Potensial listrik yang diperlukan untuk menghasilkan petir dapat dihasilkan melalui efek tribolistrik.[103][104]Jika sebuah benda memiliki elektron yang berlebih atau kurang dari yang diperlukan untuk menyeimbangkan muatan inti atom yang positif, benda tersebut akan memiliki muatan listrik. Ketika terdapat elektron berlebih, benda tersebut dikatakan bermuatan negatif. Apabila terdapat elektron yang kurang dari jumlah proton dalam inti atom, benda tersebut dikatakan bermuatan positif. Ketika jumlah elektron dan jumlah proton adalah sama, muatan keduanya meniadakan satu sama lainnya dan benda tersebut dikatakan bermuatan netral. Benda makro dapat menjadi bermuatan listrik melalui penggosokan dan menghasilkanefek tribolistrik.[105]Elektron tunggal yang bergerak dalam vakum diistilahkan sebagai elektronbebas. Elektron-elektron dalam logam juga berperilaku seolah-olah bebas. Dalam kenyataannya, partikel yang umumnya diistilahkan elektron dalam logam dan padatan lainnya merupakan kuasi-elektron-kuasi-partikel, yang memiliki muatan listrik, spin, dan momen magnetik yang sama dengan elektron asli, namun bermassa berbeda.[106]Ketika elektron bebas bergerak dalam vakum ataupun dalam logam, ia akan menghasilkan aliran muatan yang disebut sebagaiarus listrik. Arus listrik ini kemudian akan menghasilkan medan magnetik. Sebaliknya, arus dapat diciptakan pula dengan mengubah medan magnetik. Interaksi ini dinyatakan secara matematis menggunakanpersamaan Maxwell.[107]Pada suhu tertentu, tiap-tiap material memilikikonduktivitas listrikyang menentukan nilai arus listriknya ketikapotensial listrikdialirkan kepadanya. Contoh benda yang memiliki konduktivitas listrik yang baik (disebut konduktor) misalnya emas dan tembaga, sedangkan gelas danteflonadalah konduktor yang buruk. Dalam materialdielektrik, elektron tetap terikat pada atom penyusunnya dan material tersebut berperilaku sepertiinsulator. Sebaiknya logam memiliki struktur pita elektronik yang mengandung pita elektronik yang terisi sebagian. Keberadaan pita tersebut mengizinkan elektron dalam logam berperilaku seolah-olah bebas (elektron terdelokalisasi). Elektron yang terdelokalisasi ini tidak terikat pada atom apapun, sehingga ketika dialiri medan listrik, elektron tersebut akan bergerak bebas seperti gas (gas fermi)[108]melalui material tersebut seperti elektron bebas.Oleh karena tumbukan antara elektron dengan atom,kecepatan hanyatanelektron dalam konduktor memiliki kisaran milimeter per detik. Namun,kecepatan rambatanelektron biasanya adalah sekitar 75% kecepatan cahaya.[109]This occurs because electrical signals propagate as a wave, with the velocity dependent on thedielectric constantof the material.[110]Logam merupakan konduktor panas yang baik, utamanya disebabkan oleh elektron terdelokalisasi yang bebas untuk mentranspor energi termal antaratom. Namun, berbeda dengan konduktivitas listrik, konduktivitas termal logam hampir tidak tergantung pada suhu. Konduktivitas termal diekspresikan secara matematis menuruthukum Wiedemann-Franz,[108]yang menyatakan bahwa rasiokonduktivitas termalterhadap konduktivitas listrik berbanding lurus terhadap temperatur. Kebalauan termal dalam kisi logam meningkatkanresistivitaslistrik material, sehingganya membuat arus listrik tergantung pada temperatur.[111]Ketika didinginkan di bawahtemperatur kritis, material dapat mengalami transisi fase yang menyebabkannya kehilangan semua resistivitas arus listrik. Hal ini dinamakansuperkonduktivitas. Dalamteori BCS, perilaku ini dimodelkan oleh pasangan elektron yang memasuki keadaan kuantumkondensat Bose-Einstein.Pasangan Cooperini memiliki gerakan yang dikopling oleh materi sekitar via getaran kekisi yang disebutfonon, sehingga elektron dapat menghindari tumbukan dengan atom-atom material yang menciptakan hambatan listrik.[112](Pasangan Cooper memiliki jari-jari sekitar 100nm, sehingga dapat bertumpang tindih satu sama lain.)[113]Walaupun begitu, mekanisme mengenai bagaimana superkonduktor temperatur tinggi bekerja masih belumlah terpecahkan.Elektron yang berada dalam padatan konduktor, yang sendirinya juga merupakan kuasipartikel, ketika dikungkung secara ketat pada temperatur yang mendekatinol absolut, akan berperilaku seolah-olah terbelah lebih jauh menjadi duakuasipartikel:spinondanholon.[114][115]Spinon memiliki spin dan momen magnetik, sedangkan holon memiliki muatan listrik.[sunting]Gerak dan energiMenurut teorirelativitas khususEinstein, seiring dengan bertambahnya kecepatan elektron mendekatikecepatan cahaya,massa relativitaselektron akan meningkat menurut pemantau, sehingga membuatnya semakin sulit mempercepat diri dari kerangka acuan pemantau. Kecepatan elektron dapat mendekati, tetapi tidak dapat mencapai, kecepatan cahaya dalam vakum senilaic. Namun, ketika elektron yang bergerak mendekati kecepatan cahayacdimasukkan ke dalam media dielektrik seperti air, kecepatan cahaya lokal secara signifikan kurang daric, sehingganya elektron bergerak melebihi kecepatan cahaya dalam medium tersebut. Ketika elektron berinteraksi dengan medium tersebut, interaksi ini akan menghasilkan pendaran cahaya yang dinamakanradiasi Cherenkov.[116]

Faktor Lorentz sebagai fungsi kecepatan. Ia bermula dari nilai 1 dan menuju ketakterhinggaan seiring denganvmendekatic.Efek relativitas khusus ini didasarkan padafaktor Lorentz, didefinisikan sebagaidenganvadalah kecepatan partikel. Energi kinetikKesebuah elektron yang bergerak dengan kecepatanvadalah:

denganmeadalah massa elektron. Sebagai contohnya, pemercepat linear Stanford dapat mempercepat elektron mencapai 51GeV.[117]Angka memiliki nilaisebesar hampir 100.000, karena massa sebuah elektron adalah 0,51 MeV/c2.Momentum relativistikelektron ini 100.000 kali lebih besar daripada momentum yang diprediksikan oleh mekanika klasik untuk sebuah elektron yang bergerak dengan kecepatan yang sama.[cat 8]Oleh karena elektron dapat berperilaku seperti gelombang, ia akan memiliki karakteristikpanjang gelombang de Broglie. Nilai ini adalahe=h/pdenganhadalahkonstanta Planckdanpadalah momentum.[42]Untuk 51GeV elektron di atas, panjang gelombangnya adalah sekitar 2,4 10-17m. Nilai ini cukup kecil untuk menjelajahi struktur yang lebih kecil dari inti atom.[118][sunting]Pembentukan

Produksi pasanganyang disebabkan oleh tumbukan foton dengan inti atomTeoriBig Bangmerupakan teori ilmiah yang paling luas diterima sebagai penjelasan atas berbagai tahapan awal evolusi alam semesta.[119]Beberapa milidetik setelahBig Bang, temperatur alam semesta lebih dari 10milyarkelvindan foton memiliki energi rata-rata lebih dari satu jutaelektronvolt. Foton ini memiliki energi yang cukup sehingganya dapat bereaksi satu sama lainnya membentuk pasangan elektron dan positron,

denganadalah foton,e+adalah positron, daneadalah elektron. Sebaliknya pula, positron-elektron memusnahkan satu sama lainnya dan memancarkan foton berenergi tinggi. Kesetimbangan antara elektron, positron, dan foton terjada semasa fase evolusi alam semesta ini. Setelah 15 detik, temperatur alam semesta turun di bawah ambang batas yang mengizinkan pembentukan positron-elektron. Elektron dan positron yang tersisa memusnahkan satu sama lain, melepaskan radiasi gama yang memanaskan kembali alam semesta dalam waktu singkat.[120]Semasa prosesleptogenesis, terdapat jumlah elektron yang lebih banyak daripada positron. Sampai sekarang, masihlah belum jelas mengapa elektron dapat berjumlah lebih banyak daripada positron.[121]Sekitar satu dari satu milyar elektron lolos dari proses pemusnahan. Kelebihan jumlah proton dibandingkan antiproton juga terjadi dalam kondisiasimetri barion, menyebabkan muatan total alam semesta menjadi nol.[122][123]Proton dan neutron yang tidak musnah kemudian mulai berpartisipasi dalam reaksinukleosintesis, membentuk isotophidrogendanhelium, serta sekelumitlitium. Proses ini mencapai puncaknya setelah lima menit.[124]Neutron yang tersisa kemudian menjalanipeluruhan betanegatif dengan umur paruh sekitar seribu detik, melepaskan proton dan elektron dalam prosesnya,

dengannadalah neutron,padalah proton daneadalahantineutrino elektron. Selama 300.000-400.000 tahun ke depan, energi elektron yang berlebih masih sangat kuat sehingganya tidak berikatan denganinti atom.[125]Setelah itu, periode rekombinasi terjadi, saat atom netral mulai terbentuk dan alam semesta yang mengembang menjadi transparan terhadap radiasi.[126]Kira-kira satu juta tahun setelahbig bang, generasibintangpertama mulai terbentuk.[126]Dalam bintang,nukleosintesis bintangmengakibatkan pembentukan positron daripenggabunganinti atom. Partikel antimateri ini dengan segera memusnahkan elektron dan melepaskan sinar gama. Oleh sebab itu, terjadi penurunan jumlah elektron yang diikuti dengan peningkatan jumlah neutron dengan kuantitas yang sama. Walau demikian, prosesevolusi bintangdapat pula mengakibatkan sintesis isotop-isotop radioaktif. Beberapa isotop tersebut kemudian dapat menjalani peluruhan beta negatif dan memancarkan elektron dan antineutrino dari inti atom.[127]Salah satu contohnya adalah isotopkobalt-60(60Co) yang meluruh menjadi nikel-60 (60Ni).[128]

Hujanan partikel-partikel yang dihasilkan oleh tembakan sinar kosmis ke atmosfer BumiPada akhir masa kehidupannya, bintang yang bermassa lebih dari 20massa suryadapat menjalanikeruntuhan gravitasidan membentuklubang hitam.[129]Menurutfisika klasik, objek luar angkasa yang sangat berat ini menghasilkan gaya tarik gravitasi yang sangat besar sehingganya tiada benda apapun, termasukradiasi elektromagnetik, yang dapat lolos darijari-jari Schwarzschild. Namun, dipercayai bahwa efek mekanika kuantum mengizinkanradiasi Hawkingdipancarkan pada jarak ini. Elektron (dan positron) diperkirakan diciptakan dihorizon persitiwalubang hitam.Ketika pasangan-pasangan partikel maya (seperti elektron dan positron) tercipta disekitar horizon peristiwa, distribusi spasial acak partikel-partikel ini mengizinkan salah satu partikel muncul pada bagian eksterior; proses ini disebut sebagaipenerowongan kuantum.Potensial gravitasilubang hitam kemudian dapat memasok energi yang mengubah partikel maya menjadi partikel nyata, mengizinkannya beradiasi keluar menuju luar angkasa.[130]Sebagai gantinya, pasangan lainnya akan mendapatkan energi negatif, yang menyebabkan penurunan massa-energi lubang hitam. Laju radiasi Hawking meningkat seiring dengan menurunnya massa, pada akhirnya akan menyebabkan lubang hitam "menguap" sampai akhirnya meledak.[131]Sinar kosmisadalah partikel-partikel yang bergerak di luar angkasa dengan energi yang tinggi. Energi sebesar3,0 1020eVtelah tercatat.[132]Ketika partikel-partikel ini bertumbukan dengan nukleon di atmosferBumi, hujanan partikel-partikel dihasilkan, termasuk pulapion.[133]Lebih dari setengah radiasi kosmis yang terpantau dari permukaan Bumi terdiri darimuon. Partikel ini merupakan sejenis lepton yang dihasilkan di atmosfer bagian atas melalui peluruhan pion. Muon, pada gilirannya, dapat meluruh menjadi elektron maupun positron. Oleh karena itu, untuk pion bermuatan negatif,[134]

denganadalah muon danadalahneutrino muon.[sunting]Pengamatan

Kebanyakanauroradisebabkan oleh elektron energetik yang mengendap ke dalamatmosfer.[135]Pengamatan elektron dari jauh memerlukan alat yang mampu mendeteksi energi radiasi elektron tersebut. Sebagai contohnya, dalam lingkungan berenergi tinggi sepertikoronabintang, elektron bebas yang berbentukplasmameradiasikan energinya oleh karenaBremsstrahlung. Gas elektron dapat menjalaniosilasi plasma, yang merupakan gelombang yang disebabkan oleh variasi pada rapatan elektron yang sinkron. Hal ini kemudian menghasilkan emisi energi yang dapat dideteksi menggunakanteleskop radio.[136]Frekuensisebuahfotonberbanding lurus dengan energinya. Elektron yang terikat pada inti atom dengan aras energi tertentu akan menyerap ataupun memancarkan foton pada frekuensi aras energi tersebut. Contohnya, ketika atom diiradiasi oleh sumber energi berspektrum lebar, garis-garis absorpsi tertentu akan muncul pada spektrum radiasi yang ditransmisikan. Tiap-tiap unsur ataupun molekul yang berbeda akan menampakkan garis-garis spektrum yang berbeda-beda pula. Pengukuranspektroskopiterhadap kekuatan dan lebar garis-garis spektrum ini memungkinkan penentuan komposisi kimia dan sifat fisika suatu zat.[137][138]Dalam laboratorium, interaksi elektron individu dapat dipantau menggunakandetektor partikel, yang memungkinkan pengukuran sifat-sifat fisika elektron seperti energi, spin, dan muatannya.[97]Dikembangkannyaperangkap Pauldanperangkap Penningmengizinkan partikel bermuatan diperangkap ke dalam suatu daerah tertentu untuk masa yang lama. Hal ini mengizinkan pengukuran yang cermat mengenai sifat dan ciri partikel. Dalam satu percobaan, perangkap Penning dapat memerangkap satu elektron tunggal dalam periode waktu 10 bulan.[139]Momen magnetik elektron yang telah diukur, telah mencapai presisi pengukuran hingga 11 digit. Pada saat itu (1980), pengukuran ini lebih akurat daripada pengukuran konstanta fisika lainnya.[140]Gambar video pertama yang memperlihatkan distribusi energi elektron direkam oleh sekelompok ilmuwan diUniversitas LundSwedia pada Februari 2008. Para ilmuwan ini menggunakan kilatan cahaya yang sangat pendek, disebut sebagai pulsa attosekon (10-18), mengizinkan gerak elektron dipantau untuk pertama kalinya.[141][142]Distribusi elektron dalam material padat dapat divisualisasikan menggunakanARPES(angle resolved photoemission spectroscopy). Teknik ini menggunakan efek fotolistrik untuk mengukur ruang timbal-balik, yaitu suatu representasi struktur periodik yang digunakan untuk menduga struktur awal material. ARPES dapat digunakan untuk menentukan arah, kecepatan, dan sebaran elektron dalam material.[143][sunting]Aplikasi[sunting]Berkas partikel

Semasa ujiterowongan anginNASA, sebuah modelPesawat ulang-alikditembakkan hujan elektron untuk mensimulasikan efek gas pengion sewaktu memasuki bumi.[144]Berkas elektrondigunakan dalam prosespengelasan,[145]yang mengizinkan rapatan energi sampai sebesar107Wcm2diterapkan pada sasaran sempit berdiameter0,11,3 mmdan biasanya tidak memerlukan bahan isi. Teknik pengelasan ini harus dilakukan dalam kondisi vakum, sehingga berkas elektron tidak berinteraksi dengan gas sebelum mencapai target. Tekni ini dapat digunakan untuk menyatukan bahan-bahan konduktif yang tidak cocok dilas menggunakan teknik pengelasan biasa.[146][147]Litografi berkas elektron(EBL) merupakan suatu metode pengetsaan semikonduktor dengan resolusi lebih kecil dari satumikron.[148]Teknik ini berbiaya tinggi, lambat, dan perlu dioperasikan secara vakum dan cenderung mengakibatkan sebaran elektron pada padatan. Oleh karena sebaran ini, resolusinya terbatas pada 10 nm. Oleh karenanya, EBL utamanya digunakan pada produksi sejumlah kecilsirkuit terpaduyang terspesialisasi.[149]Pemrosesan berkas elektrondigunakan untuk mengiradiasi material agar sifat-sifat fisikanya berubah ataupun untuk tujuansterilisasiproduk makanan dan medis.[150]Dalamterapi radiasiberkas elektron dihasilkan oleh pemercepat liner untuk pengobatan tumor superfisial. Oleh karena berkas elektron hanya menembus kedalaman yang terbatas sebelum diserap, biasanya sampai dengan 5 cm untuk elektron berenergi 520MeV,terapi elektronberguna untuk mengobati lesi kulit sepertikarsinoma sel basal. Berkas elektron dapat digunakan untuk mensuplemen perawatan daerah-daerah yang telah diiradiasi olehsinar-X.[151][152]Pemercepat partikelmenggunakan medan listrik untuk membelokkan elektron dan antipartikelnya mencapai energi tinggi. Oleh karena partikel ini bergerak melalui medan magnetik, ia memancarkan radiasi sinkrotron. Intensitas radiasi ini bergantung pada spin, yang menyebabkan polarisasi berkas elektron (dikenal sebagaiefek Sokolov-Ternov). Berkas elektron yang terpolarisasi ini dapat digunakan dalam berbagai eksperimen. Radiasisinkotronjuga dapat digunakan untuk pendinginan berkas elektron, yang menurunkan sebaran momentum partikel. Seketika partikel telah dipercepat sampai pada energi yang ditentukan, elektron dan positron ditumbukkan. Emisi energi yang dihasilkan oleh tumbukan tersebut dipantau menggunakandetektor partikeldan dipelajari dalamfisika partikel.[153][sunting]PencitraanDifraksi elektron berenergi rendah(Low-energy electron diffraction) adalah suatu metode penghujanan bahan-bahan kristalin denganberkas kolimasielektron untuk kemudian dipantau pola-pola difraksi yang dihasilkan untuk menentukan struktur material tersebut. Energi yang diperlukan pada umumnya berkisar antara 20200eV.[154]Difraksi elektron berenergi tinggi refleksi(reflection high energy electron diffraction) adalah teknik yang menggunakan refleksi berkas elektron yang ditembakkan pada berbagai sudut rendah untuk mengkarakterisasikan permukaan material kritsalin. Energi berkas biasanya berkisar antara 820keV dan sudut tembakan adalah 14.[155][156]Mikroskop elektronmengarahkan berkas elektron yang difokuskan kepada suatu spesimen. Pada saat berkas berinteraksi dengan spesimen, beberapa elektron berubah sifatnya, misalnya pada arah pergerakan, sudut, energi, dan fase relatif elektron. Dengan mencatat perubahan pada berkas elektron, para ilmuwan dapat menghasilkan citra material yang diperbesar tersebut.[157][sunting]Lihat pula Model Standar Proton Neutron[sunting]Catatan kaki1. ^Penyebut versi pecahannya merupakan balikan nilai desimal (dengan ketidakpastian standar relatif 4,2 10-10).2. ^Muatan elektron adalah negatifmuatan elementeryang memiliki nilai positif untuk proton.3. ^Besaran ini didapatkan dari bilangan kuantum spin sebagai

untuk bilangan kuantums=12.Lihat:Gupta, M. C. (2001).Atomic and Molecular Spectroscopy. New Age Publishers. hlm.81.ISBN8122413005.4. ^Bohr magneton:

5. ^Jari-jari elektron klasik diturunkan sebagai berikut. Asumsikan bahwa muatan elektron tersebar merata di seluruh volume bola partikel. Oleh karena satu bagian bola tersebut akan menolak bagian yag lainnya, bola tersebut mengandung energi potensial elektrostatik. Energi ini diasumsikan sama denganenergi rihatelektron, yang ditentukan melaluiteori relativitas khusus(E=mc2).Dari teorielektrostatistika, energi potensial suatu bola dengan jari-jarirdan muataneadalah:

dengan0adalahpermitivitas vakum. Untuk sebuah elektron dengan massa rihatm0, energi rihatnya adalah sama dengan:

dengancadalah kecepatan cahaya dalam vakum. Dengan menyamakan kedua persamaan ini dan mencari nilair, kita akan mendapatkan jari-jari elektron klasik.Lihat:Haken, Hermann (2005).The Physics of Atoms and Quanta: Introduction to Experiments and Theory. Springer. hlm.70.ISBN3540672745.6. ^Radiasi yang berasal dari elektron non-relativistik kadang-kadang disebutradiasi siklotron.7. ^Perubahan pada panjang gelombang bergantung pada sudut pentalansebagai berikut

dengancadalah kecepatan cahaya dalam vakum danmeadalah massa elektron. Lihat Zombeck (2007:393,396).8. ^Dengan mencari kecepatan elektron dan menggunakan pendekatan untuk nilaiyang besar, kita akan mendapatkan:

[sunting]