How big is Klassisk elektron?

En elektron är en liten partikel med negativ elektrisk laddning. Den finns i varje atom, utanför atomkärnan. Inget experiment har hittat någon storlek hos den: i alla tester hittills beter den sig som en punkt. De 5,64 femtometer som visas ovan är två gånger den klassiska elektronradien, ett värde från klassisk fysik, utan kvantfysik, och inte en mätning. En femtometer är en miljondel av en miljarddel av en meter (10⁻¹⁵ meter).

Storlek

Den klassiska elektronradien är cirka 2,82 femtometer. Den kommer från en formel som använder elektronens laddning och massa samt ljusets hastighet, men ingenting från kvantfysiken. Det är ungefär så stort som ett klot med elektronens laddning skulle behöva vara för att energin i klotets elektriska fält ska vara lika med elektronens massenergi, alltså den energi som ges av E = mc².

Från 1989 till 2000 användes CERN:s Large Electron–Positron Collider (LEP) för att få elektroner att krocka med positroner, partiklar med samma massa som elektroner men motsatt laddning. En analys från år 2000 av dessa kollisioner fann inga tecken på att elektroner har någon storlek. Om en elektron överhuvudtaget har en radie är den mindre än 2,8 × 10⁻¹⁹ meter, ungefär en tiotusendel av den klassiska elektronradien. En artikel från 2025 anger fortfarande detta som den bästa gränsen från sådana kollisioner.

Storleksjämförelser

Det angivna värdet, 5,64 femtometer, är ungefär 10 000 gånger den största bredd som kollisionsexperiment tillåter för en elektron, 5,6 × 10⁻¹⁹ meter.
Enligt det klassiska värdet skulle en elektron vara mer än tre gånger så bred som en proton, som är cirka 1,7 femtometer i diameter, trots att en proton har 1 836 gånger elektronens massa.
Utgår man i stället från den experimentella gränsen är en proton minst 3 000 gånger så bred som en elektron.
En heliumkärna, cirka 3,4 femtometer i diameter, är ungefär 6 000 gånger den största bredd som är tillåten för en elektron.
Om en proton förstorades till storleken av en basketboll, skulle en elektron i samma skala vara högst 0,08 millimeter i diameter, inte bredare än ett tunt människohår.

Varför den klassiska radien fortfarande används

Den klassiska elektronradien är inte en storlek, men den är ändå ett användbart tal. När ljus eller andra elektromagnetiska vågor träffar en fri elektron sprider den dem som om den vore en liten, fast kula med ungefär den radien. Fysiker använder den för att räkna ut hur starkt elektroner sprider denna strålning, en process som kallas Thomsonspridning.

Hur elektronen upptäcktes

Den brittiske fysikern J. J. Thomson identifierade elektronen 1897, vid Cavendishlaboratoriet vid Cambridgeuniversitetet. Han studerade katodstrålar, en gåtfull sorts strålar som färdas genom glasrör där nästan all luft har pumpats ut. Han visade att strålarna bar negativ laddning och kunde böjas av elektriska och magnetiska fält.

Utifrån hur mycket strålarna böjdes kom Thomson fram till att förhållandet mellan deras massa och laddning var mindre än en tusendel av det för en laddad väteatom. Han föreslog att strålarna var strömmar av små delar av atomer, som han kallade korpuskler. I dag kallas de elektroner.