How big is Elektron?

Elektron on pisike negatiivse elektrilaenguga osake, mida leidub igas aatomis, tuumast väljaspool. Ükski katse pole elektronile mingit suurust leidnud: kõigis seni tehtud katsetes käitub elektron nagu punkt. Ülal näidatud 5,64 femtomeetrit on elektroni klassikalise raadiuse kahekordne väärtus; see arv pärineb klassikalisest, kvantteooriata füüsikast ega ole mõõtmistulemus. Femtomeeter on meetri miljardiku miljondik (10⁻¹⁵ meetrit).

Suurus

Elektroni klassikaline raadius on umbes 2,82 femtomeetrit. See tuleneb valemist, milles kasutatakse elektroni laengut ja massi ning valguse kiirust, kuid mitte midagi kvantfüüsikast. Ligikaudu nii suur peaks elektroni laenguga kuul olema, et selle elektrivälja energia oleks võrdne elektroni massienergiaga, see tähendab energiaga, mille annab valem E = mc².

Aastatel 1989–2000 paiskas CERNi Suur elektron-positronkollaider (LEP) elektrone kokku positronidega, osakestega, mille mass on elektronide omaga sama, kuid laeng vastupidine. Nende põrgete 2000. aasta analüüs ei leidnud märke, et elektronidel oleks mingit suurust. Kui elektronil üldse raadius on, siis on see väiksem kui 2,8 × 10⁻¹⁹ meetrit, umbes üks kümnetuhandik elektroni klassikalisest raadiusest. 2025. aasta artikkel esitab seda endiselt selliste põrgete parima piirina.

Suuruste võrdlused

Näidatud väärtus, 5,64 femtomeetrit, on umbes 10 000 korda suurem kui suurim laius, mille põrkekatsed elektronile lubavad: 5,6 × 10⁻¹⁹ meetrit.
Klassikalise väärtuse järgi oleks elektron rohkem kui kolm korda laiem kui prooton, mille läbimõõt on umbes 1,7 femtomeetrit, kuigi prootoni mass on 1 836 korda suurem kui elektronil.
Katsetest saadud piiri järgi on prooton aga vähemalt 3 000 korda laiem kui elektron.
Heeliumi tuum, mille läbimõõt on umbes 3,4 femtomeetrit, on ligikaudu 6 000 korda suurem kui suurim laius, mida elektronile lubatakse.
Kui prooton oleks suurendatud korvpalli suuruseks, oleks elektron samas mõõtkavas kõige rohkem 0,08 millimeetrit lai, mitte laiem kui peen inimese juuksekarv.

Miks klassikalist raadiust siiski kasutatakse

Elektroni klassikaline raadius ei ole suurus, kuid see on siiski kasulik arv. Kui valgus või muud elektromagnetlained langevad vabale elektronile, hajutab elektron neid, nagu oleks ta väike tahke kuul, mille raadius on ligikaudu sama suur. Füüsikud kasutavad seda arvu, et arvutada, kui tugevasti elektronid seda kiirgust hajutavad; seda protsessi nimetatakse Thomsoni hajumiseks.

Kuidas elektron avastati

Briti füüsik J. J. Thomson tuvastas elektroni 1897. aastal Cambridge'i ülikooli Cavendishi laboratooriumis. Ta uuris katoodkiiri, mõistatuslikku kiirteliiki, mis liigub klaastorudes, millest on peaaegu kogu õhk välja pumbatud. Ta näitas, et kiired kandsid negatiivset laengut ning neid sai elektri- ja magnetväljaga kõrvale painutada.

Kiirte kõrvalekalde suurusest leidis Thomson, et nende massi ja laengu suhe on alla tuhandiku laetud vesinikuaatomi vastavast suhtest. Ta pakkus, et kiired on voogud aatomite pisikestest osadest, mida ta nimetas korpuskliteks. Tänapäeval nimetatakse neid osakesi elektronideks.