Elétron


Elétron
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Estimativas teóricas da densidade do elétron para orbitais do átomo do hidrogênio.
Composição:partícula elementar[1]
Família:Férmion
Grupo:Lépton
Geração:Primeira
Interação:Gravidade, eletromagnética, fraca
Símbolo(s):e
, β
Antipartícula:Pósitron (também chamado de antielétron)
Teorizada:Richard Laming (1838–1851),[2]
G. Johnstone Stoney (1874) e outros.[3][4]
Descoberta:J. J. Thomson (1897)[5]
Massa:9.10938356(11)×10−31 kg[6]
5.48579909070(16)×10−4 u[6]
[1822.8884845(14)]−1 u[notas 1]
0.5109989461(31) MeV/c2[6]
Decaimento de partícula:estável ( > 6.6×1028 anos[7])
Carga elétrica:−1 [notas 2]
−1.602176565(35)×10−19 C[6]
−4.80320451(10)×10−10 esu
Momento magnético:−1.00115965218076(27) μB[6]
Spin:12

O elétron (português brasileiro) (eletrão [português europeu], electrão [português angolano]) (do grego ήλεκτρον, élektron, "âmbar") é uma partícula subatômica, de símbolo e
ou β
, com carga elétrica negativa.[8] Pertence à primeira geração da família dos léptons,[9] e considera-se que são partículas elementares porque não possuem componentes conhecidos.[1] A massa do elétron é aproximadamente 1/1836 da massa do próton.[10] As propriedades da quânticas do elétron incluem um momento angular intrínseco (spin) fracionário, o que significa que é um férmion. Portanto, dois elétrons não podem ocupar o mesmo estado quântico, de acordo com o princípio da exclusão de Pauli.[9] Como toda matéria, possui propriedades de ondas e de corpúsculos: pode colidir com outras partículas, mas também pode ser difratado, assim como a luz. As propriedades ondulatórias dos elétrons são mais fáceis de se observar experimentalmente do que as de outras partículas como os nêutrons e prótons porque os elétrons têm uma massa menor e assim um comprimento de onda de Broglie maior.

Os elétrons desempenham um papel essencial em muitos fenômenos físicos, tais como a eletricidade, o magnetismo e a condutividade térmica. Os elétrons estão sujeitos à ação de três interações fundamentais da natureza: a gravidade, a força eletromagnética e a força fraca.[11] Por ter carga elétrica, um elétron gera um campo elétrico em sua vizinhança. Quando se move em relação a um observador gera também um campo magnético. Campos eletromagnéticos externos afetam um elétron por meio da força de Lorentz. Elétrons irradiam energia na forma de fótons quando acelerados. Elétrons são também essenciais em muitas aplicações tecnológicas, tais como a eletrônica, a soldagem, os tubos de raios catódicos, a microscopia eletrônica, a radioterapia, os lasers, os detectores de radiação ionizante e os aceleradores de partículas.

Interações envolvendo elétrons e outras partículas subatômicas são de interesse da química e da física nuclear. A interação entre os prótons, localizados no núcleo atômico, e os elétrons por meio da da força de Coulomb é responsável pela estrutura do átomo. As ligações químicas são devidas à troca ou compartilhamento de elétrons entre dois ou mais átomos.[12] O filósofo natural Richard Laming foi o primeiro a teorizar o conceito de uma carga elétrica de quantidade indivisível para explicar as propriedades químicas dos átomos em 1838;[3] O físico George Johnstone Stoney nomeou esta carga como ‘electron’ em 1891, enquanto que Joseph John Thomson e sua equipe identificaram a partícula em 1897.[5][13][14] Os elétrons também podem participar em reações nucleares, tais como a nucleossíntese estelar, onde são conhecidos como partículas beta. Elétrons podem ser criados a partir do decaimento beta de isótopos radioativos e em colisões de alta energia, por exemplo quando os raios cósmicos entram na atmosfera terrestre. A antipartícula do elétron é denominada pósitron; tem muitas características idênticas às do elétron, mas sua carga elétrica é positiva. Quando um elétron colide com um pósitron, ambas as partículas são totalmente aniquiladas, produzindo fótons de raios gama.

História e descobrimento do elétron

Os gregos antigos observaram que o âmbar atraía pequenos objetos quando friccionado com a . Junto com o raio, este fenômeno é uma das primeiras observações registradas com a eletricidade.[15] Em seu tratado De Magnete, publicado em 1600, o cientista inglês William Gilbert cunhou o termo em neolatim electricus, para se referir a esta propriedade de atração de pequenos objetos após a fricção.[16] Ambas as palavras elétrico e eletricidade são derivadas da forma latina ēlectrum (que também é a raiz para a liga metálica de mesmo nome), que veio da palavra grega para o âmbar, ἤλεκτρον (ēlektron).

No início do século XVII, Francis Hauksbee e Charles François du Fay descobriram de modo independente o que eles acreditavam ser dois tipos de eletricidade, uma gerada a partir da fricção do vidro, e a outra da fricção da resina de âmbar. A partir disto, Du Fay teorizou que a eletricidade consistia de dois fluidos elétricos, vítreo e resinoso, que são separados pela fricção e que se neutralizam quando combinados.[17] Uma década depois, Benjamin Franklin propôs que a eletricidade não era constituída por dois tipos de fluidos elétricos, mas pelo mesmo fluido sob diferentes pressões. Ele deu a eles a nomenclatura atual de carga positiva e negativa.[18] Franklin imaginou que os portadores de carga fossem positivos.[19]

Entre 1838 e 1851, o filósofo britânico Richard Laming desenvolveu a ideia de que o átomo seria composto de um núcleo de matéria cercado por partículas subatômicas com carga elétrica unitária.[2] No início de 1846, o físico William Weber postulou que a eletricidade era composta de cargas fluidas positivas e negativas e que a interação entre elas seria descrita pela lei do inverso do quadrado. Após estudar o fenômeno da eletrólise em 1874, o físico George Johnstone Stoney sugeriu a existência de uma "quantidade de eletricidade singular definida", a carga de um íon monovalente. Ele foi capaz de estimar o valor desta carga elementar e por meio da lei de Faraday da eletrólise.[20] Entretanto, Stoney acreditava que essas cargas estariam permanentemente ligadas aos átomos e que não poderiam ser removidas. Em 1881, o físico Hermann von Helmholtz argumentou que tanto as cargas negativas quanto as positivas seriam subdivididas em partes elementares que "comportam-se como átomos de eletricidade".[3]

Em 1881, Stoney criou o termo electrolion, mas dez anos depois adotou a palavra electron para descrever estas cargas elementares, escrevendo em 1894: "... uma estimativa foi feita para o valor correto dessa unidade fundamental notável, para a qual eu tenho desde então ousado sugerir o nome electron.[notas 3] Em 1906, uma proposta para mudar a nomenclatura para electrion não foi bem sucedida porque Hendrik Lorentz preferiu manter a palavra electron.[21][22] A palavra inglesa electron é uma combinação das palavras electric e ion.[23][24] O sufixo -on passou então a ser utilizado no nome de outras partículas subatômicas, tais como proton e neutron.[25][26]

Descoberta

Um tubo de vácuo de vidro redondo com um raio circular brilhando no interior
Um raio de elétrons defletidos em um círculo por um campo magnético.[27]

Em 1869, o físico Johann Wilhelm Hittorf estudava a condutividade elétrica em gases rarefeitos e descobriu um brilho emitido do cátodo que aumentava em tamanho com a redução da pressão do gás. Em 1876, o físico Eugen Goldstein demonstrou que os raios deste brilho formavam uma sombra, e os apelidou de raios catódicos.[28] Durante a década de 1870, o físico e químico Sir William Crookes desenvolveu o primeiro tudo de raios catódicos com um vácuo no interior.[29] Ele então demonstrou que os raios luminescentes aparecendo dentro do tubo carregavam energia e se moviam do cátodo para o ânodo. Além disso, ao aplicar um campo magnético, ele foi capaz de defletir os raios, assim demonstrando que os raios se comportavam como se fossem carregados negativamente.[30][31] Em 1879, propôs que estas propriedades poderiam ser explicadas pelo que ele denominou 'matéria radiante'. Ele então sugeriu que este seria o quarto estado da matéria, consistindo de moléculas carregadas negativamente que eram projetadas com alta velocidade a partir do cátodo.[32]

O físico Arthur Schuster realizou um experimento similar ao de Crookes, colocando placas de metal paralelas aos raios catódicos e aplicando um potencial elétrico entre as placas. O campo defletia os raios em direção a placa carregada positivamente, fornecendo maiores evidências que os raios carregavam cargas negativas. Através da medição da quantidade de deflecção para um dado nível de corrente elétrica, em 1890, Schuster foi capaz de estimar a relação massa-para-carga dos componentes dos raios. Todavia, isto resultou em um valor que era mais de mil vezes superior ao que era esperado, então foi dado pouco crédito aos seus cálculos na época.[30][33]

Em 1892, Hendrik Lorentz sugeriu que a massa destas partículas (elétrons) poderia ser consequência de sua carga elétrica.[34]

Em 1896, o físico J. J. Thomson, com seus colegas John S. Townsend e Harold A. Wilson,[13] executaram experimentos indicando que os raios catódicos eram partículas únicas, aos invés de ondas, átomos ou moléculas como era acreditado anteriormente.[5] Thomson fez boas estimativas tanto da carga e e da massa m, descobrindo que as partículas dos raios catódicos, que ele chamou de "corpúsculos", teriam talvez um milésimo da massa do menor íon conhecido: o hidrogênio.[5][14] Ele demonstrou que a relação carga para massa, e/m, era independente do material do cátodo. Também demonstrou que as partículas carregadas negativamente produzidas por materiais radioativos, pelo aquecimento de materiais e pelos materiais luminosos eram universais.[5][35] O nome electron foi novamente proposto para estas partículas pelo físico George Fitzgerald, e o nome então ganhou aceitação universal.[30]

Robert Millikan

Enquanto estudava a fluorescência natural de minerais em 1896, o físico Henri Becquerel descobriu que eles emitiam radiação sem nenhuma exposição a uma fonte externa de energia. Estes materiais radioativos se tornaram o interesse de muitos cientistas, incluindo o físico Ernest Rutherford que descobriu que eles emitiam partículas. Ele denominou estas partículas como alfa e beta, com base na sua capacidade de penetrar a matéria.[36] Em 1900, Becquerel demonstrou que os raios beta emitidos pelo Rádio podiam ser defletidos por um campo elétrico, e que a relação massa-para-carga era a mesma que para os raios catódicos.[37] Esta evidência fortaleceu a visão de que os elétrons existiam como componentes dos átomos.[38][39]

A carga do elétron foi medida com mais cuidado pelos físicos Robert Millikan e Harvey Fletcher em sua experiência da gota de óleo de 1909. Este experimento usou um campo elétrico para prevenir uma gota de óleo carregada de cair pela ação da gravidade. Este dispositivo podia medir a carga elétrica de tão poucos íons quanto de 1 a 150, com uma margem de erro de menos de 0,3%. Experimentos comparáveis feitos anteriormente pela equipe de Thomson,[5] utilizando nuvens de gotas de água carregadas geradas pela eletrólise,[13] e em 1911 por Abram Ioffe, que obteve de modo independente o mesmo resultado que Millikan usando micropartículas de metal carregadas, que publicou seus resultados em 1913.[40] Todavia, gotas de óleo eram mais estáveis do que de água por causa de sua baixa taxa de evaporação, e assim eram mais adequadas para a experimentação por longos períodos de tempo.[41]

No início do século XX, foi descoberto que sob certas condições uma partícula carregada se movimentando rapidamente causava a condensação de vapor de água supersaturada ao longo do seu caminho. Em 1911, Charles Wilson empregou este princípio para criar a câmara de nuvens para que pudesse fotografar o caminhos destas partículas, tais como os elétrons em alta velocidade.[42]

Teoria atômica

Três círculos concêntricos sobre um núcleo, com um elétron se movendo do segundo para o primeiro e liberando um fóton
O Modelo atômico de Bohr, mostrando os estados dos elétrons com energia quantizada pelo número n. Um elétron caindo para as órbitas inferiores emite um fóton com a mesma energia entre os orbitais.

Em 1914, experimentos dos físicos Ernest Rutherford, Henry Moseley, James Franck ed Gustav Hertz demonstraram amplamente a estrutura de um átomo como um núcleo de carga positiva cercado por elétrons de baixa massa.[43] Em 1913, o físico Niels Bohr postulou que os elétrons residiam em estados de energia quantizada, com a energia determinada pelo momento angular das órbitas do elétron sobre o núcleo. Os elétrons poderiam se mover entre estes estados, ou órbitas, pela emissão ou absorção de fótons em frequências específicas. Por meio destas órbitas quantizadas, ele explicou com precisão as linhas espectrais do átomo de hidrogênio.[44] Porém, o modelo de Bohr falhou em explicar a intensidade relativa das linhas espectrais e não foi bem sucedido em explicar o espectro de átomos mais complexos.[43]

As ligações químicas entre átomos foram explicadas por Gilbert Newton Lewis, que em 1916 propôs que a ligação covalente entre dois átomos é mantida por um par de elétrons compartilhados entre eles.[45] Posteriormente, em 1927, Walter Heitler e Fritz London deram uma explicação completa da formação do par de elétrons e a ligação química em termos de mecânica quântica.[46] Em 1919, o químico Irving Langmuir elaborou que o modelo estático de Lewis do átomo e sugeriu que todos os elétrons eram distribuídos em sucessivas "camadas esféricas (quase) concêntricas, de mesma espessura".[47] As camadas eram, por sua vez, divididas por ele em um número de células cada uma contendo um par de elétrons. Com este modelo, Langmuir foi capaz de explicar qualitativamente as propriedades químicas de todos os elementos na tabela periódica,[46] os quais já se sabia que se repetiam amplamente entre eles de acordo com a lei periódica.[48]

Em 1924, o físico Wolfgang Pauli observou que a estrutura em forma de camada do átomo poderia se explicada por um conjunto de quatro parâmetros que definiriam cada estado de energia quântica, enquanto cada estado fosse inabitado por não mais que um único elétron. (Esta proibição contra mais de um elétron ocupando o mesmo estado de energia quântica ficou conhecida como princípio da exclusão de Pauli.)[49] O mecanismo físico para explicar o quarto parâmetro, que tinha dois valores possíveis distintos, foi elaborada pelos físicos Samuel Goudsmit e George Uhlenbeck. Em 1925, Goudsmit e Uhlenbeck sugeriram que um elétron, além do momento angular de sua órbita, possuía um momento angular intrínseco e momento dipolo magnético.[43][50] O momento angular intrínseco ficou conhecido como Spin. e explicou a divisão misteriosa das linhas espectrais observadas em espectrômetros de alta resolução; este fenômeno ficou conhecido como divisão da estrutura fina.[51]

Mecânica quântica

Em sua dissertação Recherches sur la théorie des quanta (Pesquisa na Teoria Quântica), o físico Louis de Broglie teorizou que toda a matéria possuia uma onda de matéria similar a luz.[52] Isto é, sob condições apropriadas, elétrons e outras matérias iriam demonstrar propriedades tanto de partículas ou ondas. As propriedades corpusculares de uma partícula são demonstradas quando apresentam uma posição localizada no espaço ao longo de sua trajetória em um dado momento.[53] A natureza similar as ondas é observada, por exemplo, quando um raio de luz passa através de fendas paralelas e cria padrões de interferência. Em 1927, o efeito da interferência foi observado em um raio de elétrons pelo físico George Paget Thomson com um filme de metal fino e pelos físicos Clinton Davisson e Lester Germer usando um cristal de níquel.[54]

Uma nuvem azul simétrica que diminui de intensidade do centro para o exterior
Na mecânica quântica, o comportamento do elétron em um átomo é descrito por um orbital atômico, que é a probabilidade de distribuição ao invés de uma órbita. Na figura, as sombras indicam a probabilidade relativa de "encontrar" um elétron, dada a energia correspondente para um número quântico, naquele ponto.

A previsão de De Broglie da natureza de onda para os elétrons levou a Erwin Schrödinger postular uma equação de onda para os elétrons se movendo sob a influência do núcleo do átomo. Em 1926, esta equação, a equação de Schrödinger, descreveu com sucesso como os elétrons se propagam.[55]

Ao invés de produzir uma solução que determinava a localização de um elétron ao longo do tempo, esta equação também poderia ser usada para predizer a probabilidade de encontrar um elétron perto de uma posição, especialmente uma posição perto de onde o elétron estava ligado no espaço, para o qual a equação de onda do elétron não mudava ao longo do tempo. Esta abordagem levou a segunda formulação da mecânica quântica (a primeira sendo de Heisenberg em 1925), e as soluções da equação de Schrödinger, assim como de Heisenberg, forneceram derivações para os estados energéticos de um elétron em um átomo de hidrogênio que eram equivalentes a aqueles que tinham sido fornecidos inicialmente por Bohr em 1913, e que eram conhecidos por reproduzir o espectro do hidrogênio.[56] Depois que o spin e a interação de múltiplos elétrons foi considerada, a mecânica quântica posteriormente tornou possível predizer a configuração dos elétrons nos átomos com números atômicos maiores que do hidrogênio.[57]

Em 1928, baseado no trabalho de Wolfgang Pauli, Paul Dirac desenvolveu um modelo para o elétron – a equação de Dirac, consistente com a teoria da relatividade, pela aplicação das considerações de simetria e relativística para a formulação do Hamiltoniano da mecânica quântica no campo eletromagnético.[58] Para resolver alguns problemas com sua equação relativística, em 1930 Dirac desenvolveu um modelo de um vácuo como um mar infinito de partículas tendo energia negativa, que foi apelidado de mar de Dirac. Isto o levou a predizer a existência de um pósitron, uma contraparte de anti-matéria do elétron.[59] Esta partícula foi descoberta em 1932 por Carl Anderson, que sugeriu chamar os elétrons padrões de negatrons, e usar o elétron como um termo genérico para descrever ambas as variantes carregadas negativamente e positivamente.

Em 1947, Willis Lamb, em colaboração com Robert Retherford, descobriu que certos estados quânticos do átomo de hidrogênio, que deveriam ter a mesma energia, eram deslocados em relação ao outro, a diferença sendo o desvio de Lamb. Na mesma época, Polykarp Kusch, trabalhando com Henry M. Foley, descobriu que o momento magnético do elétron é levemente superior ao previsto pela teoria de Dirac. Esta pequena diferença foi posteriormente chamada de momento dipolo magnético anômalo do elétron. Posteriormente, tal diferença foi explicada pela teoria da eletrodinâmica quântica, desenvolvida por Sin-Itiro Tomonaga, Julian Schwinger e Richard Feynman no final da década de 1940.[60]

Aceleradores de partículas

Com o desenvolvimento do acelerador de partículas durante a primeira metade do século XX, os físicos começaram a estudar em profundidade as propriedades das partículas subatômicas.[61]

A primeira tentativa bem sucedida de acelerar elétrons usando a indução eletromagnética foi feita em 1942 por Donald Kerst. Seu betatron inicial alcançou a energia de 2,3 MeV, enquanto betatrons subsequentes alcançaram 300 MeV. Em 1947, a radiação síncrotron foi descoberta com um elétron síncroton de 70 MeV pela General Electric. Esta radiação foi causada pela aceleração de elétrons, movendo-se próximos a velocidade da luz através do campo magnético[62]

Com um raio de energia de 1,5 GeV, o primeiro colisor de partículas de alta energia foi o ADONE, que iniciou sua operação em 1968.[63]

Este dispositivo acelerou elétrons e pósitrons em direções opostas, efetivamente dobrando a energia de suas colisões quando comparadas com a colisão de um alvo estático com um elétron.[64] O Grande Colisor de Elétrons e Pósitrons da Organização Europeia para a Pesquisa Nuclear, que esteve operacional entre 1989 e 2000, alcançou colisões energéticas de 209 GeV e fez importantes medições para o Modelo Padrão da física de partículas.[65][66]