How big is Elektron (klassiek)?

Een elektron is een heel klein deeltje met een negatieve elektrische lading, dat in elk atoom voorkomt, buiten de kern. Geen enkel experiment heeft een grootte voor het elektron gevonden: in elke test tot nu toe gedraagt het zich als een punt. De 5,64 femtometer die hierboven staat, is tweemaal de klassieke elektronstraal, een getal uit de klassieke natuurkunde, zonder kwantumfysica, en geen meting. Een femtometer is een miljoenste van een miljardste van een meter (10⁻¹⁵ meter).

Grootte

De klassieke elektronstraal is ongeveer 2,82 femtometer. Die komt uit een formule met de lading en de massa van het elektron en de lichtsnelheid, maar zonder iets uit de kwantumfysica. Het is ongeveer de grootte die een bol met de lading van het elektron zou moeten hebben, wil de energie van het elektrische veld gelijk zijn aan de massa-energie van het elektron, de energie die E = mc² geeft.

Van 1989 tot 2000 liet de Large Electron–Positron Collider (LEP) van CERN elektronen op positronen botsen, deeltjes met dezelfde massa als elektronen maar met de tegengestelde lading. Een analyse van die botsingen uit 2000 vond geen aanwijzing dat elektronen een grootte hebben. Als een elektron al een straal heeft, is die kleiner dan 2,8 × 10⁻¹⁹ meter, ongeveer een tienduizendste van de klassieke elektronstraal. Een publicatie uit 2025 geeft dit nog altijd als de beste grens die uit zulke botsingen volgt.

Groottevergelijkingen

De getoonde waarde, 5,64 femtometer, is ongeveer 10.000 keer zo groot als de grootste breedte die botsingsexperimenten een elektron toestaan, 5,6 × 10⁻¹⁹ meter.
Volgens de klassieke waarde zou een elektron meer dan drie keer zo breed zijn als een proton, dat ongeveer 1,7 femtometer breed is, ook al heeft een proton 1.836 keer zoveel massa als een elektron.
Volgens de grens uit de experimenten is een proton juist minstens 3.000 keer zo breed als een elektron.
Een heliumkern, ongeveer 3,4 femtometer breed, is zo'n 6.000 keer de grootste breedte die voor een elektron is toegestaan.
Als een proton werd vergroot tot de grootte van een basketbal, zou een elektron op dezelfde schaal hooguit 0,08 millimeter breed zijn, niet breder dan een dun mensenhaar.

Waarom de klassieke straal nog wordt gebruikt

De klassieke elektronstraal is geen grootte, maar wel een bruikbaar getal. Wanneer licht of andere elektromagnetische golven op een vrij elektron vallen, verstrooit het elektron ze alsof het een kleine, massieve bol met ongeveer die straal was. Natuurkundigen gebruiken de straal om te berekenen hoe sterk elektronen deze straling verstrooien, een proces dat Thomson-verstrooiing heet.

Hoe het elektron werd ontdekt

De Britse natuurkundige J.J. Thomson ontdekte het elektron in 1897, in het Cavendish Laboratory van de Universiteit van Cambridge. Hij bestudeerde kathodestralen, een raadselachtige soort straling die door glazen buizen reist waaruit bijna alle lucht is weggepompt. Hij liet zien dat de stralen een negatieve lading droegen en door elektrische en magnetische velden konden worden afgebogen.

Uit hoe ver de stralen afbogen, leidde Thomson af dat hun massa in verhouding tot hun lading minder dan een duizendste was van die van een geladen waterstofatoom. Hij stelde voor dat de stralen stromen waren van kleine stukjes van atomen, die hij corpusculen noemde. Tegenwoordig heten ze elektronen.