How big is Електрон (класичний)?

Електрон — це крихітна частинка з від’ємним електричним зарядом, яка є в кожному атомі поза ядром. Жоден експеримент не виявив у нього розміру: в усіх досі проведених дослідах він поводиться як точка. Показані вище 5,64 фемтометра — це подвоєний класичний радіус електрона, величина з класичної, неквантової фізики, а не результат вимірювання. Фемтометр — це мільйонна частка мільярдної частки метра (10⁻¹⁵ метра).

Розмір

Класичний радіус електрона становить приблизно 2,82 фемтометра. Його отримують за формулою, у якій використовують заряд і масу електрона та швидкість світла, але нічого з квантової фізики. Приблизно такого розміру мала б бути кулька із зарядом електрона, щоб енергія її електричного поля дорівнювала енергії, еквівалентній масі електрона, — тій, яку дає формула E = mc².

З 1989 до 2000 року Великий електрон-позитронний колайдер (LEP) у CERN зіштовхував електрони з позитронами — частинками, що мають таку саму масу, як електрони, але протилежний заряд. Аналіз цих зіткнень, проведений у 2000 році, не виявив жодних ознак того, що електрони мають якийсь розмір. Якщо в електрона й є радіус, він менший за 2,8 × 10⁻¹⁹ метра, тобто приблизно десятитисячна частка класичного радіуса електрона. У статті 2025 року це й досі подано як найкращу межу, отриману із таких зіткнень.

Порівняння розмірів

Показане значення, 5,64 фемтометра, приблизно у 10 000 разів перевищує найбільшу ширину електрона, яку допускають досліди із зіткненнями, — 5,6 × 10⁻¹⁹ метра.
За класичним значенням електрон був би більш ніж утричі ширший за протон, який має в поперечнику близько 1,7 фемтометра, хоча маса протона у 1 836 разів більша за масу електрона.
Якщо ж узяти експериментальну межу, протон щонайменше у 3 000 разів ширший за електрон.
Ядро гелію, яке має в поперечнику близько 3,4 фемтометра, приблизно у 6 000 разів перевищує найбільшу ширину, допустиму для електрона.
Якби протон збільшили до розміру баскетбольного м’яча, електрон у тому самому масштабі мав би в поперечнику щонайбільше 0,08 міліметра, тобто був би не ширший за тонку людську волосину.

Чому класичний радіус досі використовують

Класичний радіус електрона не є розміром, але це все одно корисне число. Коли світло чи інші електромагнітні хвилі потрапляють на вільний електрон, він розсіює їх так, ніби є невеликою твердою кулькою приблизно такого радіуса. Фізики використовують це число, щоб розрахувати, наскільки сильно електрони розсіюють таке випромінювання; цей процес називають томсонівським розсіюванням.

Як відкрили електрон

Британський фізик Дж. Дж. Томсон ідентифікував електрон 1897 року в Кавендишській лабораторії Кембриджського університету. Він вивчав катодні промені — загадковий вид променів, що поширюється у скляних трубках, з яких відкачано майже все повітря. Він показав, що ці промені несуть від’ємний заряд і що електричне та магнітне поля можуть їх відхиляти.

З того, наскільки сильно відхилялися промені, Томсон з’ясував, що відношення їхньої маси до заряду було менше за тисячну частку відповідного відношення для зарядженого атома водню. Він припустив, що ці промені — потоки крихітних частин атомів, які він назвав корпускулами. Тепер їх називають електронами.