इलेक्ट्रॉन

From LTRC
इलेक्ट्रॉन
composition प्राथमिक कण[1]
statistics फर्मिऑनिक
group लेप्टॉन
generation प्रथम
interaction दुर्बल, विद्युतचुंबकीय, गुरुत्वाकर्षण
antiparticle पॉज़िट्रॉन[note 1]
theorized रिचर्ड लैमिंग (1838–1851),
जी. जॉनस्टोन स्टोनी (1874) और अन्य।
discovered जे. जे. थॉमसन (1897)
symbol Electron, beta-
mass me
me_Da
[1822.888486209 ± (53)]−1 Da[note 2]
mec2_MeV
electric_charge -1 e
−e
magnetic_moment mue
mue/muB
spin 1/2 ħ
weak_isospin LH: −1/2, RH: 0
weak_hypercharge LH: −1, RH: −2
mean_lifetime > 6.6×10^28 वर्ष (सैद्धांतिक रूप से स्थिर)

इलेक्ट्रॉन (Electron, या नाभिकीय अभिक्रियाओं में beta-) एक उपपरमाण्विक कण है जिसका विद्युत आवेश ऋणात्मक एक प्राथमिक आवेश होता है। यह ब्रह्मांड का निर्माण करने वाले पदार्थ में निहित एक प्राथमिक कण है।

सभी परमाणु इलेक्ट्रॉनों के साथ-साथ प्रोटॉन और न्यूट्रॉन की अलग-अलग संख्या से बने होते हैं, लेकिन इलेक्ट्रॉनों का द्रव्यमान अन्य दो घटकों की तुलना में लगभग 2,000 गुना कम होता है। परमाणुओं में, एक इलेक्ट्रॉन की पदार्थ तरंग धनावेशित परमाणु नाभिक के चारों ओर परमाणु कक्षकों पर कब्जा करती है। किसी परमाणु के इलेक्ट्रॉनों का विन्यास और ऊर्जा स्तर उस परमाणु के रासायनिक गुण निर्धारित करते हैं। इलेक्ट्रॉन नाभिक से अलग-अलग डिग्री तक बंधे होते हैं। सबसे बाहरी या संयोजकता इलेक्ट्रॉन सबसे कम मजबूती से बंधे होते हैं और अणुओं तथा क्रिस्टल बनाने के लिए परमाणुओं के बीच रासायनिक बंध के निर्माण के लिए जिम्मेदार होते हैं। ये संयोजकता इलेक्ट्रॉन परमाणुओं के बीच स्थानांतरित या साझा होकर सभी प्रकार की रासायनिक अभिक्रियाओं को सुगम बनाते हैं। आंतरिक इलेक्ट्रॉन कोश परमाणु कोर बनाते हैं।

इलेक्ट्रॉन की अवधारणा कई भौतिक घटनाओं की व्याख्या करती है। धातुओं में, सबसे बाहरी इलेक्ट्रॉन विस्थानीकृत होते हैं और स्वतंत्र रूप से घूमने में सक्षम होते हैं, जो धातुओं की उच्च विद्युत और ऊष्मीय चालकता के लिए जिम्मेदार हैं। अर्धचालकों में, मोबाइल आवेश वाहकों (इलेक्ट्रॉन और होल) की संख्या को डोपिंग, तापमान, वोल्टेज और विकिरण द्वारा सूक्ष्म रूप से नियंत्रित किया जा सकता है – जो आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक्स का आधार है।

इलेक्ट्रॉन मुक्त कण के रूप में मौजूद हो सकते हैं। निर्वात में कण पुंजों के रूप में, मुक्त इलेक्ट्रॉनों को त्वरित, केंद्रित किया जा सकता है, और कैथोड किरण ट्यूब, इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शी, इलेक्ट्रॉन बीम वेल्डिंग, लिथोग्राफी, और कण त्वरक जैसे अनुप्रयोगों के लिए उपयोग किया जा सकता है जो सिंक्रोट्रॉन विकिरण उत्पन्न करते हैं।

लक्षण वर्णन

इलेक्ट्रॉन लेप्टॉन कण परिवार की पहली पीढ़ी से संबंधित हैं,[2] ये ऐसे प्राथमिक कण हैं जो प्रबल नाभिकीय बल के साथ अन्योन्यक्रिया नहीं करते हैं। इलेक्ट्रॉनों को आमतौर पर प्राथमिक कण माना जाता है क्योंकि उनके कोई ज्ञात घटक या उप-संरचना नहीं है। एक इलेक्ट्रॉन का द्रव्यमान 1/1836 प्रोटॉन के द्रव्यमान के बराबर होता है। इलेक्ट्रॉन के क्वांटम यांत्रिक गुणों में लघु प्लैंक नियतांक का आधा, यानी ħ/2 का आंतरिक कोणीय संवेग (स्पिन) शामिल है। फर्मिऑन होने के नाते, पाउली अपवर्जन सिद्धांत के अनुसार, कोई भी दो इलेक्ट्रॉन एक ही क्वांटम अवस्था पर कब्जा नहीं कर सकते हैं। सभी प्राथमिक कणों की तरह, इलेक्ट्रॉन कण और तरंग दोनों के गुण प्रदर्शित करते हैं। उदाहरण के लिए, इलेक्ट्रॉन अन्य कणों के साथ कणों की तरह टकरा सकते हैं और प्रकाश तरंगों की तरह विवर्तित भी हो सकते हैं। इलेक्ट्रॉनों के तरंग गुणों को अन्य कणों जैसे न्यूट्रॉन और प्रोटॉन की तुलना में प्रयोगों के साथ देखना आसान है क्योंकि इलेक्ट्रॉनों का द्रव्यमान कम होता है और इसलिए एक निश्चित ऊर्जा के लिए उनकी डी ब्रोग्ली तरंगदैर्ध्य लंबी होती है।

इलेक्ट्रॉन की अवधारणा भौतिक घटनाओं, जैसे विद्युत, चुंबकत्व, रसायन विज्ञान, और ऊष्मीय चालकता की व्याख्या करने के लिए आवश्यक है; वे गुरुत्वाकर्षण, विद्युतचुंबकत्व, और दुर्बल अन्योन्यक्रिया के बलों के अधीन हैं।[3] चूंकि एक इलेक्ट्रॉन में आवेश होता है, इसलिए इसमें एक आसपास का विद्युत क्षेत्र होता है; यदि वह इलेक्ट्रॉन किसी प्रेक्षक के सापेक्ष गति कर रहा है, तो प्रेक्षक देखेगा कि वह एक चुंबकीय क्षेत्र उत्पन्न करता है। अन्य स्रोतों से उत्पन्न विद्युतचुंबकीय क्षेत्र लॉरेंट्ज़ बल नियम के अनुसार इलेक्ट्रॉन की गति को प्रभावित करेंगे। त्वरित होने पर इलेक्ट्रॉन फोटॉन के रूप में ऊर्जा विकीर्ण या अवशोषित करते हैं।

प्रयोगशाला उपकरण विद्युतचुंबकीय क्षेत्रों का उपयोग करके व्यक्तिगत इलेक्ट्रॉनों के साथ-साथ इलेक्ट्रॉन प्लाज्मा को फँसाने में सक्षम हैं। विशेष दूरबीन बाहरी अंतरिक्ष में इलेक्ट्रॉन प्लाज्मा का पता लगा सकते हैं। इलेक्ट्रॉन कई अनुप्रयोगों में शामिल हैं, जैसे ट्राइबोलॉजी या घर्षण चार्जिंग, इलेक्ट्रोलिसिस, इलेक्ट्रोकेमिस्ट्री, बैटरी प्रौद्योगिकियां, इलेक्ट्रॉनिक्स, वेल्डिंग, कैथोड-रे ट्यूब, प्रकाश-विद्युत, फोटोवोल्टिक सौर पैनल, इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शी, विकिरण चिकित्सा, लेजर, गैसीय आयनीकरण डिटेक्टर, और कण त्वरक।

अन्य उपपरमाण्विक कणों के साथ इलेक्ट्रॉनों से जुड़ी अन्योन्यक्रियाएं रसायन विज्ञान और नाभिकीय भौतिकी जैसे क्षेत्रों में रुचि का विषय हैं। परमाणु परमाणु नाभिकों के भीतर धनात्मक प्रोटॉन और बाहर ऋणात्मक इलेक्ट्रॉनों से बने होते हैं, जो कूलॉम बल अन्योन्यक्रिया द्वारा एक साथ बंधे होते हैं। आयनीकरण अवस्था (धनात्मक नाभिक बनाम ऋणात्मक इलेक्ट्रॉनों के अनुपात में अंतर) या दो या दो से अधिक परमाणुओं के बीच इलेक्ट्रॉनों का साझाकरण बंधन के मुख्य कारण हैं।[4]

इलेक्ट्रॉन नाभिकीय अभिक्रियाओं में भाग लेते हैं, जैसे तारों में न्यूक्लियोसिंथेसिस, जहाँ उन्हें बीटा कण के रूप में जाना जाता है। इलेक्ट्रॉन रेडियोधर्मी समस्थानिकों के बीटा क्षय के माध्यम से और उच्च-ऊर्जा टकरावों में बनाए जा सकते हैं, उदाहरण के लिए, जब ब्रह्मांडीय किरणें वायुमंडल में प्रवेश करती हैं। इलेक्ट्रॉन के प्रतिकण को पॉज़िट्रॉन कहा जाता है; यह इलेक्ट्रॉन के समान है, सिवाय इसके कि यह विपरीत संकेत का विद्युत आवेश वहन करता है। जब एक इलेक्ट्रॉन एक पॉज़िट्रॉन के साथ टकराता है, तो दोनों कण नष्ट हो सकते हैं, जिससे गामा किरण फोटॉन उत्पन्न होते हैं।

इतिहास

আরও দেখুন: विद्युतचुंबकीय सिद्धांत का इतिहास

विद्युत बल के प्रभाव की खोज

प्राचीन यूनानियों ने देखा कि अंबर को फर के साथ रगड़ने पर वह छोटी वस्तुओं को आकर्षित करता है। बिजली के साथ, यह घटना विद्युत के साथ मानवता के सबसे शुरुआती दर्ज अनुभवों में से एक है।[5] अपने 1600 के ग्रंथ डी मैग्नेट में, अंग्रेजी वैज्ञानिक विलियम गिल्बर्ट ने उन पदार्थों को संदर्भित करने के लिए नव-लैटिन शब्द इलेक्ट्रिका गढ़ा, जिनमें अंबर के समान गुण होते हैं जो रगड़ने के बाद छोटी वस्तुओं को आकर्षित करते हैं। 'इलेक्ट्रिक' और 'इलेक्ट्रिसिटी' दोनों लैटिन शब्द इलेक्ट्रम (जो उसी नाम की मिश्र धातु का मूल भी है) से निकले हैं, जो अंबर के लिए यूनानी शब्द, ἤλεκτρον (इलेक्ट्रॉन) से आया था।

दो प्रकार के आवेशों की खोज

1700 के दशक की शुरुआत में, फ्रांसीसी रसायनज्ञ चार्ल्स फ़्राँस्वा द्यू फे ने पाया कि यदि रेशम से रगड़े गए कांच द्वारा एक आवेशित सोने की पत्ती को प्रतिकर्षित किया जाता है, तो वही आवेशित सोने की पत्ती ऊन से रगड़ी गई एम्बर द्वारा आकर्षित होती है। इस और इसी तरह के अन्य प्रयोगों के परिणामों से, द्यू फे ने निष्कर्ष निकाला कि विद्युत दो विद्युत तरल पदार्थों से बनी है, रेशम से रगड़े गए कांच से 'कांचवत' (vitreous) तरल और ऊन से रगड़े गए एम्बर से 'राल' (resinous) तरल। ये दोनों तरल पदार्थ संयुक्त होने पर एक-दूसरे को उदासीन कर सकते हैं।[6] अमेरिकी वैज्ञानिक एबेनेज़र किन्नेर्सली भी बाद में स्वतंत्र रूप से इसी निष्कर्ष पर पहुँचे।118 एक दशक बाद बेंजामिन फ्रैंकलिन ने प्रस्तावित किया कि विद्युत विभिन्न प्रकार के विद्युत तरल पदार्थों से नहीं, बल्कि एक एकल विद्युत तरल से बनी है जो अधिकता (+) या कमी (−) दर्शाती है। उन्होंने उन्हें क्रमशः धनात्मक और ऋणात्मक का आधुनिक आवेश नामकरण दिया। फ्रैंकलिन आवेश वाहक को धनात्मक मानते थे, लेकिन उन्होंने सही ढंग से यह पहचान नहीं की कि कौन सी स्थिति आवेश वाहक की अधिकता है और कौन सी स्थिति कमी है।

1838 और 1851 के बीच, ब्रिटिश प्राकृतिक दार्शनिक रिचर्ड लैमिंग ने यह विचार विकसित किया कि एक परमाणु पदार्थ के एक कोर से बना होता है जो उप-परमाणु कणों से घिरा होता है जिनमें इकाई विद्युत आवेश होते हैं।[7] 1846 में शुरू करते हुए, जर्मन भौतिक विज्ञानी विल्हेम एडुआर्ड वेबर ने सिद्धांत दिया कि विद्युत धनात्मक और ऋणात्मक रूप से आवेशित तरल पदार्थों से बनी है, और उनकी परस्पर क्रिया व्युत्क्रम वर्ग नियम द्वारा शासित होती है। 1874 में विद्युत अपघटन (electrolysis) की घटना का अध्ययन करने के बाद, आयरिश भौतिक विज्ञानी जॉर्ज जॉनस्टोन स्टोनी ने सुझाव दिया कि "विद्युत की एक एकल निश्चित मात्रा" मौजूद है, जो एक एकसंयोजक आयन का आवेश है। वह फैराडे के विद्युत अपघटन के नियमों के माध्यम से इस प्रारंभिक आवेश e के मान का अनुमान लगाने में सक्षम थे। हालाँकि, स्टोनी का मानना था कि ये आवेश स्थायी रूप से परमाणुओं से जुड़े होते हैं और इन्हें हटाया नहीं जा सकता। 1881 में, जर्मन भौतिक विज्ञानी हरमन वॉन हेल्महोल्ट्ज़ ने तर्क दिया कि धनात्मक और ऋणात्मक दोनों आवेश प्रारंभिक भागों में विभाजित हैं, जिनमें से प्रत्येक "विद्युत के परमाणुओं की तरह व्यवहार करता है"।

स्टोनी ने शुरू में 1881 में इलेक्ट्रोलियन (electrolion) शब्द गढ़ा। दस साल बाद, उन्होंने इन प्रारंभिक आवेशों का वर्णन करने के लिए इलेक्ट्रॉन (electron) शब्द का उपयोग किया, और 1894 में लिखा: "... विद्युत की इस सबसे उल्लेखनीय मौलिक इकाई की वास्तविक मात्रा का अनुमान लगाया गया था, जिसके लिए मैंने तब से 'इलेक्ट्रॉन' नाम का सुझाव देने का साहस किया है"। 1906 में इसे बदलकर 'इलेक्ट्रियन' (electrion) करने का एक प्रस्ताव विफल हो गया क्योंकि हेंड्रिक लोरेंत्ज़ 'इलेक्ट्रॉन' नाम ही रखना पसंद करते थे।[8] 'इलेक्ट्रॉन' शब्द इलेक्ट्रिक (electric) और आयन (ion) शब्दों का संयोजन है। प्रत्यय -on जिसका उपयोग अब अन्य उप-परमाणु कणों, जैसे कि प्रोटॉन या न्यूट्रॉन को नामित करने के लिए किया जाता है, वह स्वयं इलेक्ट्रॉन से लिया गया है।

पदार्थ के बाहर मुक्त इलेक्ट्रॉनों की खोज

আরও দেখুন: Cathode ray, J. J. Thomson#Discovery of the electron

[9]

1859 में विरल गैसों में विद्युत चालकता का अध्ययन करते समय, जर्मन भौतिक विज्ञानी जूलियस प्लकर ने देखा कि कैथोड से उत्सर्जित विकिरण के कारण कैथोड के पास ट्यूब की दीवार पर स्फुरदीप्त (phosphorescent) प्रकाश दिखाई देता है; और स्फुरदीप्त प्रकाश के क्षेत्र को चुंबकीय क्षेत्र के अनुप्रयोग द्वारा स्थानांतरित किया जा सकता है।[10] 1869 में, प्लकर के छात्र जोहान विल्हेम हिटॉर्फ ने पाया कि कैथोड और स्फुरदीप्ति के बीच रखी गई एक ठोस वस्तु ट्यूब के स्फुरदीप्त क्षेत्र पर एक छाया डालेगी। हिटॉर्फ ने अनुमान लगाया कि कैथोड से सीधी किरणें उत्सर्जित होती हैं और स्फुरदीप्ति इन किरणों के ट्यूब की दीवारों से टकराने के कारण होती है। इसके अलावा, उन्होंने यह भी खोजा कि ये किरणें चुंबकों द्वारा ठीक वैसे ही विक्षेपित होती हैं जैसे विद्युत धारा की रेखाएं।

1876 में, जर्मन भौतिक विज्ञानी यूजेन गोल्डस्टीन ने दिखाया कि किरणें कैथोड सतह के लंबवत उत्सर्जित होती हैं, जिसने कैथोड से उत्सर्जित किरणों और तापदीप्त प्रकाश के बीच अंतर स्पष्ट किया। गोल्डस्टीन ने इन किरणों को कैथोड किरणें (cathode rays) नाम दिया।[11]393 कैथोड किरणों से जुड़े दशकों के प्रयोगात्मक और सैद्धांतिक शोध जे. जे. थॉमसन द्वारा इलेक्ट्रॉनों की अंतिम खोज में महत्वपूर्ण थे। गोल्डस्टीन ने दोहरे कैथोड के साथ भी प्रयोग किया और परिकल्पना की कि एक किरण दूसरी को प्रतिकर्षित कर सकती है, हालाँकि उनका मानना नहीं था कि इसमें कोई कण शामिल हो सकते हैं।

1870 के दशक के दौरान, अंग्रेजी रसायनज्ञ और भौतिक विज्ञानी सर विलियम क्रुक्स ने पहली कैथोड-रे ट्यूब विकसित की जिसके अंदर उच्च निर्वात था।[12] उन्होंने 1874 में दिखाया कि कैथोड किरणें अपने पथ में रखे जाने पर एक छोटे पैडल व्हील को घुमा सकती हैं। इसलिए, उन्होंने निष्कर्ष निकाला कि किरणें संवेग (momentum) ले जाती हैं। इसके अलावा, एक चुंबकीय क्षेत्र लागू करके, वह किरणों को विक्षेपित करने में सक्षम थे, जिससे यह प्रदर्शित हुआ कि किरण पुंज ऋणात्मक रूप से आवेशित होने जैसा व्यवहार करता है। 1879 में, उन्होंने प्रस्तावित किया कि इन गुणों को कैथोड किरणों को पदार्थ की चौथी अवस्था में ऋणात्मक रूप से आवेशित गैसीय अणुओं से बना मानकर समझाया जा सकता है, जिसमें कणों का माध्य मुक्त पथ इतना लंबा होता है कि टक्करों को नजरअंदाज किया जा सकता है।394–395

1883 में, तब तक बहुत प्रसिद्ध नहीं रहे जर्मन भौतिक विज्ञानी हेनरिक हर्ट्ज़ ने यह साबित करने की कोशिश की कि कैथोड किरणें विद्युत रूप से तटस्थ हैं और उन्हें चुंबकीय क्षेत्र के विपरीत, इलेक्ट्रोस्टैटिक क्षेत्र में विक्षेपण की अनुपस्थिति प्राप्त हुई, जिसे उन्होंने आत्मविश्वास से व्याख्यायित किया। हालाँकि, जैसा कि जे. जे. थॉमसन ने 1897 में समझाया, हर्ट्ज़ ने विक्षेपित इलेक्ट्रोड को ट्यूब के अत्यधिक प्रवाहकीय क्षेत्र में रखा था, जिसके परिणामस्वरूप उनकी सतह के करीब एक मजबूत स्क्रीनिंग प्रभाव उत्पन्न हुआ।[13]

जर्मन मूल के ब्रिटिश भौतिक विज्ञानी आर्थर शूस्टर ने कैथोड किरणों के समानांतर धातु की प्लेटें रखकर और प्लेटों के बीच एक विद्युत विभव लागू करके क्रुक्स के प्रयोगों का विस्तार किया।[14] क्षेत्र ने किरणों को धनात्मक रूप से आवेशित प्लेट की ओर विक्षेपित कर दिया, जिससे और सबूत मिले कि किरणें ऋणात्मक आवेश ले जाती हैं। एक दिए गए विद्युत और चुंबकीय क्षेत्र के लिए विक्षेपण की मात्रा को मापकर, 1890 में शूस्टर आवेश-से-द्रव्यमान अनुपात[note 3] का अनुमान लगाने में सक्षम थे। हालाँकि, इससे एक ऐसा मान प्राप्त हुआ जो अपेक्षित मान से हजार गुना से अधिक था, इसलिए उस समय उनकी गणनाओं पर बहुत कम विश्वास किया गया। ऐसा इसलिए था क्योंकि यह माना गया था कि आवेश वाहक बहुत भारी हाइड्रोजन या नाइट्रोजन परमाणु थे। शूस्टर के अनुमान बाद में काफी हद तक सही साबित हुए।

1892 में हेंड्रिक लोरेंत्ज़ ने सुझाव दिया कि इन कणों (इलेक्ट्रॉनों) का द्रव्यमान उनके विद्युत आवेश का परिणाम हो सकता है।[15]

1896 में प्राकृतिक रूप से प्रतिदीप्त (fluorescing) खनिजों का अध्ययन करते समय, फ्रांसीसी भौतिक विज्ञानी हेनरी बेकरेल ने खोजा कि वे किसी बाहरी ऊर्जा स्रोत के संपर्क के बिना विकिरण उत्सर्जित करते हैं। ये रेडियोधर्मी पदार्थ वैज्ञानिकों के लिए बहुत रुचि का विषय बन गए, जिसमें न्यूजीलैंड के भौतिक विज्ञानी अर्नेस्ट रदरफोर्ड भी शामिल थे, जिन्होंने खोजा कि वे कण उत्सर्जित करते हैं। उन्होंने पदार्थ को भेदने की उनकी क्षमता के आधार पर इन कणों को अल्फा और बीटा नामित किया।[16] 1900 में, बेकरेल ने दिखाया कि रेडियम द्वारा उत्सर्जित बीटा किरणों को एक विद्युत क्षेत्र द्वारा विक्षेपित किया जा सकता है, और उनका द्रव्यमान-से-आवेश अनुपात कैथोड किरणों के समान था। इस प्रमाण ने इस दृष्टिकोण को मजबूत किया कि इलेक्ट्रॉन परमाणुओं के घटकों के रूप में मौजूद थे।

1897 में, ब्रिटिश भौतिक विज्ञानी जे. जे. थॉमसन ने अपने सहयोगियों जॉन एस. टाउनसेंड और एच. ए. विल्सन के साथ प्रयोग किए, जिनसे यह संकेत मिला कि कैथोड किरणें वास्तव में अद्वितीय कण थीं, न कि तरंगें, परमाणु या अणु जैसा कि पहले माना जाता था।[17] 1899 तक उन्होंने दिखाया कि उनका आवेश-से-द्रव्यमान अनुपात, e/m, कैथोड सामग्री से स्वतंत्र था। उन्होंने आगे दिखाया कि रेडियोधर्मी पदार्थों, गर्म पदार्थों और प्रकाशित पदार्थों द्वारा उत्पन्न नकारात्मक रूप से आवेशित कण सार्वभौमिक थे। थॉमसन ने कैथोड किरण "कॉर्पसल्स" (कणों) के लिए m/e को मापा, और आवेश e का अच्छा अनुमान लगाया, जिससे द्रव्यमान m का मान प्राप्त हुआ, जो ज्ञात सबसे कम द्रव्यमान वाले आयन: हाइड्रोजन से 1400 गुना कम द्रव्यमान वाला पाया गया।364 यह संयोजन, जो इलेक्ट्रॉन के द्रव्यमान के अनुमान की ओर ले गया, यही कारण है कि इलेक्ट्रॉन की खोज का श्रेय थॉमसन को दिया जाता है।78 उसी वर्ष एमिल विचेर्ट और वाल्टर कौफमैन ने भी e/m अनुपात की गणना की, लेकिन उन्होंने अपने परिणामों की व्याख्या एक नए कण के रूप में करने का कदम नहीं उठाया, जबकि जे. जे. थॉमसन ने बाद में 1899 में इलेक्ट्रॉन के आवेश और द्रव्यमान के लिए अनुमान दिए: e ≈ 6.8×10^-10 esu और m ≈ 3×10^-26 g।

वैज्ञानिक समुदाय द्वारा इन कणों के लिए "इलेक्ट्रॉन" नाम अपनाया गया, जिसका मुख्य कारण जी. एफ. फिट्जगेराल्ड, जे. लारमोर, और एच. ए. लोरेंत्ज़ द्वारा इसका समर्थन करना था।[18]273 यह शब्द मूल रूप से 1891 में जॉर्ज जॉनस्टोन स्टोनी द्वारा विद्युत आवेश की मूल इकाई (जो उस समय तक खोजी नहीं गई थी) के लिए एक अस्थायी नाम के रूप में गढ़ा गया था।

इलेक्ट्रॉन के आवेश को 1909 में अमेरिकी भौतिकविदों रॉबर्ट मिलिकन और हार्वे फ्लेचर द्वारा उनके तेल की बूंद के प्रयोग में अधिक सावधानी से मापा गया था, जिसके परिणाम 1911 में प्रकाशित हुए थे। इस प्रयोग ने गुरुत्वाकर्षण के परिणामस्वरूप गिरने वाली तेल की आवेशित बूंद को रोकने के लिए एक विद्युत क्षेत्र का उपयोग किया। यह उपकरण 0.3% से कम की त्रुटि सीमा के साथ 1-150 आयनों तक के विद्युत आवेश को माप सकता था। थॉमसन की टीम द्वारा पहले भी तुलनीय प्रयोग किए गए थे,[17] जिसमें इलेक्ट्रोलिसिस द्वारा उत्पन्न आवेशित पानी की बूंदों के बादलों का उपयोग किया गया था, और 1911 में अब्राम इओफ़े द्वारा, जिन्होंने धातुओं के आवेशित सूक्ष्म कणों का उपयोग करके स्वतंत्र रूप से मिलिकन के समान परिणाम प्राप्त किए, फिर 1913 में अपने परिणाम प्रकाशित किए। हालाँकि, तेल की बूंदें पानी की बूंदों की तुलना में उनके धीमे वाष्पीकरण दर के कारण अधिक स्थिर थीं, और इसलिए लंबे समय तक सटीक प्रयोग के लिए अधिक उपयुक्त थीं।

बीसवीं सदी की शुरुआत के आसपास, यह पाया गया कि कुछ परिस्थितियों में एक तेजी से चलने वाला आवेशित कण अपने पथ के साथ अतिसंतृप्त जल वाष्प का संघनन पैदा करता है। 1911 में, चार्ल्स विल्सन ने अपने क्लाउड चैंबर को तैयार करने के लिए इस सिद्धांत का उपयोग किया ताकि वह आवेशित कणों, जैसे कि तेजी से चलने वाले इलेक्ट्रॉनों के पथों की तस्वीर ले सके।[19]

परमाणु सिद्धांत

1914 तक, भौतिकविदों अर्नेस्ट रदरफोर्ड, हेनरी मोसले, जेम्स फ्रैंक और गुस्ताव हर्ट्ज़ के प्रयोगों ने काफी हद तक परमाणु की संरचना को सकारात्मक आवेश के एक घने नाभिक के रूप में स्थापित कर दिया था, जो कम द्रव्यमान वाले इलेक्ट्रॉनों से घिरा हुआ था।[20] 1913 में, डेनिश भौतिक विज्ञानी नील्स बोहर ने प्रतिपादित किया कि इलेक्ट्रॉन क्वांटाइज्ड ऊर्जा अवस्थाओं में रहते हैं, जिनकी ऊर्जा नाभिक के चारों ओर इलेक्ट्रॉन की कक्षा के कोणीय संवेग द्वारा निर्धारित होती है। इलेक्ट्रॉन विशिष्ट आवृत्तियों के फोटॉनों के उत्सर्जन या अवशोषण द्वारा उन अवस्थाओं, या कक्षाओं के बीच जा सकते थे। इन क्वांटाइज्ड कक्षाओं के माध्यम से, उन्होंने हाइड्रोजन परमाणु की स्पेक्ट्रल रेखाओं की सटीक व्याख्या की। हालाँकि, बोहर का मॉडल स्पेक्ट्रल रेखाओं की सापेक्ष तीव्रता को समझाने में विफल रहा और यह अधिक जटिल परमाणुओं के स्पेक्ट्रा को समझाने में असफल रहा।

परमाणुओं के बीच रासायनिक बंधों की व्याख्या गिल्बर्ट न्यूटन लुईस द्वारा की गई थी, जिन्होंने 1916 में प्रस्तावित किया था कि दो परमाणुओं के बीच एक सहसंयोजक बंध उनके बीच साझा किए गए इलेक्ट्रॉनों की एक जोड़ी द्वारा बनाए रखा जाता है।[21] बाद में, 1927 में, वाल्टर हिटलर्स और फ्रिट्ज़ लंदन ने क्वांटम यांत्रिकी के संदर्भ में इलेक्ट्रॉन-युग्म निर्माण और रासायनिक बंधों की पूर्ण व्याख्या दी। 1919 में, अमेरिकी रसायनज्ञ इरविंग लैंगमुइर ने परमाणु के लुईस के स्थिर मॉडल पर विस्तार किया और सुझाव दिया कि सभी इलेक्ट्रॉन क्रमिक "संकेंद्रित (लगभग) गोलाकार कोशों में वितरित थे, जो सभी समान मोटाई के थे"। बदले में, उन्होंने कोशों को कई कोशिकाओं में विभाजित किया, जिनमें से प्रत्येक में इलेक्ट्रॉनों की एक जोड़ी थी। इस मॉडल के साथ लैंगमुइर आवर्त सारणी के सभी तत्वों के रासायनिक गुणों को गुणात्मक रूप से समझाने में सक्षम थे, जो आवर्त नियम के अनुसार काफी हद तक खुद को दोहराते थे।

1924 में, ऑस्ट्रियाई भौतिक विज्ञानी वोल्फगैंग पाउली ने देखा कि परमाणु की कोश जैसी संरचना को चार मापदंडों के एक सेट द्वारा समझाया जा सकता है जो प्रत्येक क्वांटम ऊर्जा अवस्था को परिभाषित करते हैं, बशर्ते कि प्रत्येक अवस्था में एक से अधिक इलेक्ट्रॉन न हो। एक ही क्वांटम ऊर्जा अवस्था में एक से अधिक इलेक्ट्रॉन के रहने पर यह निषेध पाउली का अपवर्जन सिद्धांत के रूप में जाना जाने लगा।[22] चौथे मापदंड को समझाने के लिए भौतिक तंत्र, जिसके दो अलग-अलग संभावित मान थे, डच भौतिकविदों सैमुअल गौड्समिट और जॉर्ज उहलेनबेक द्वारा प्रदान किया गया था। 1925 में, उन्होंने सुझाव दिया कि एक इलेक्ट्रॉन, अपनी कक्षा के कोणीय संवेग के अलावा, एक आंतरिक कोणीय संवेग और चुंबकीय द्विध्रुवीय आघूर्ण रखता है। यह सूर्य की परिक्रमा करते समय पृथ्वी के अपनी धुरी पर घूमने के समान है। आंतरिक कोणीय संवेग को स्पिन के रूप में जाना जाने लगा, और इसने उच्च-रिज़ॉल्यूशन स्पेक्ट्रोग्राफ के साथ देखी गई स्पेक्ट्रल रेखाओं के पहले रहस्यमय विभाजन की व्याख्या की; इस घटना को फाइन स्ट्रक्चर विभाजन के रूप में जाना जाता है।

क्वांटम यांत्रिकी

আরও দেখুন: History of quantum mechanics আরও দেখুন: #Quantum properties अपने 1924 के शोध प्रबंध Recherches sur la théorie des quanta (क्वांटम सिद्धांत पर शोध) में, फ्रांसीसी भौतिक विज्ञानी लुई डी ब्रोग्ली ने परिकल्पना की कि सभी पदार्थ को प्रकाश की तरह डी ब्रोग्ली तरंग के रूप में दर्शाया जा सकता है।[23] अर्थात, उपयुक्त परिस्थितियों में, इलेक्ट्रॉन और अन्य पदार्थ कणों या तरंगों के गुण प्रदर्शित करेंगे। एक कण के कणिका गुण तब प्रदर्शित होते हैं जब यह दिखाया जाता है कि किसी भी क्षण अपने प्रक्षेपवक्र के साथ अंतरिक्ष में इसकी एक स्थानीय स्थिति है। प्रकाश की तरंग जैसी प्रकृति तब प्रदर्शित होती है, उदाहरण के लिए, जब प्रकाश की एक किरण को समानांतर स्लिट्स के माध्यम से गुजारा जाता है, जिससे व्यतिकरण पैटर्न बनते हैं। 1927 में, जॉर्ज पैगेट थॉमसन और अलेक्जेंडर रीड ने खोजा कि व्यतिकरण प्रभाव तब उत्पन्न हुआ जब इलेक्ट्रॉनों की एक किरण को पतली सेल्युलाइड पन्नी और बाद में धातु की फिल्मों से गुजारा गया, और अमेरिकी भौतिकविदों क्लिंटन डेविसन और लेस्टर जर्मर द्वारा निकल के क्रिस्टल से इलेक्ट्रॉनों के परावर्तन द्वारा इसे देखा गया। अलेक्जेंडर रीड, जो थॉमसन के स्नातक छात्र थे, ने पहले प्रयोग किए थे लेकिन मोटरसाइकिल दुर्घटना में उनकी मृत्यु हो गई और उनका उल्लेख शायद ही कभी किया जाता है।

इलेक्ट्रॉनों की तरंग प्रकृति के डी ब्रोग्ली के पूर्वानुमान ने इरविन श्रोडिंगर को परमाणु में नाभिक के प्रभाव में गति करने वाले इलेक्ट्रॉनों के लिए एक तरंग समीकरण प्रतिपादित करने के लिए प्रेरित किया। 1926 में, इस समीकरण, श्रोडिंगर समीकरण, ने सफलतापूर्वक वर्णन किया कि इलेक्ट्रॉन तरंगें कैसे प्रसारित होती हैं।[24] समय के साथ इलेक्ट्रॉन की स्थिति निर्धारित करने वाले समाधान देने के बजाय, इस तरंग समीकरण का उपयोग किसी स्थिति के पास इलेक्ट्रॉन को खोजने की प्रायिकता की भविष्यवाणी करने के लिए भी किया जा सकता था, विशेष रूप से उस स्थिति के पास जहाँ इलेक्ट्रॉन अंतरिक्ष में बंधा हुआ था, जिसके लिए इलेक्ट्रॉन तरंग समीकरण समय के साथ नहीं बदलते थे। यह दृष्टिकोण क्वांटम यांत्रिकी के दूसरे सूत्रीकरण (पहला हाइजेनबर्ग द्वारा 1925 में) की ओर ले गया, और श्रोडिंगर के समीकरण के समाधानों ने, हाइजेनबर्ग की तरह, हाइड्रोजन परमाणु में इलेक्ट्रॉन की ऊर्जा अवस्थाओं के व्युत्पन्न प्रदान किए जो 1913 में बोहर द्वारा पहले प्राप्त किए गए व्युत्पन्न के बराबर थे, और जो हाइड्रोजन स्पेक्ट्रम को पुनरुत्पादित करने के लिए जाने जाते थे। एक बार जब स्पिन और कई इलेक्ट्रॉनों के बीच की परस्पर क्रिया का वर्णन करना संभव हो गया, तो क्वांटम यांत्रिकी ने हाइड्रोजन से अधिक परमाणु संख्या वाले परमाणुओं में इलेक्ट्रॉनों के विन्यास की भविष्यवाणी करना संभव बना दिया।

1928 में, वोल्फगैंग पाउली के काम को आगे बढ़ाते हुए, पॉल डिराक ने इलेक्ट्रॉन का एक मॉडल तैयार किया – डिराक समीकरण, जो विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र की क्वांटम यांत्रिकी के हैमिल्टनियन सूत्रीकरण में सापेक्षतावादी और समरूपता संबंधी विचारों को लागू करके सापेक्षता सिद्धांत के अनुरूप था।[25] अपने सापेक्षतावादी समीकरण के भीतर कुछ समस्याओं को हल करने के लिए, डिराक ने 1930 में ऋणात्मक ऊर्जा वाले कणों के एक अनंत समुद्र के रूप में निर्वात (vacuum) का एक मॉडल विकसित किया, जिसे बाद में डिराक समुद्र (Dirac sea) कहा गया। इसने उन्हें पॉज़िट्रॉन, जो इलेक्ट्रॉन का प्रतिपदार्थ (antimatter) समकक्ष है, के अस्तित्व की भविष्यवाणी करने के लिए प्रेरित किया। इस कण की खोज 1932 में कार्ल एंडरसन द्वारा की गई थी, जिन्होंने मानक इलेक्ट्रॉनों को 'नेगाट्रॉन' कहने और धनात्मक और ऋणात्मक दोनों आवेशित प्रकारों का वर्णन करने के लिए 'इलेक्ट्रॉन' शब्द का सामान्य रूप से उपयोग करने का प्रस्ताव दिया था।

1947 में, विलिस लैम्ब ने स्नातक छात्र रॉबर्ट रेदरफोर्ड के साथ मिलकर पाया कि हाइड्रोजन परमाणु की कुछ क्वांटम अवस्थाएँ, जिनकी ऊर्जा समान होनी चाहिए, एक-दूसरे के सापेक्ष स्थानांतरित (shifted) थीं; इस अंतर को लैम्ब शिफ्ट कहा जाने लगा। लगभग उसी समय, पॉलीकार्प कुश ने हेनरी एम. फोली के साथ काम करते हुए पाया कि इलेक्ट्रॉन का चुंबकीय आघूर्ण डिराक के सिद्धांत द्वारा अनुमानित से थोड़ा बड़ा है। इस छोटे से अंतर को बाद में इलेक्ट्रॉन का असामान्य चुंबकीय द्विध्रुवीय आघूर्ण (anomalous magnetic dipole moment) कहा गया। इस अंतर को बाद में 1940 के दशक के अंत में सिन-इतिरो तोमोनागा, जूलियन श्विंगर और रिचर्ड फेनमैन द्वारा विकसित क्वांटम इलेक्ट्रोडायनामिक्स के सिद्धांत द्वारा समझाया गया।[26]

कण त्वरक

बीसवीं सदी के पूर्वार्ध में कण त्वरक (particle accelerator) के विकास के साथ, भौतिकविदों ने उप-परमाणु कणों (subatomic particles) के गुणों की गहराई से जांच शुरू की।[27] विद्युत चुम्बकीय प्रेरण का उपयोग करके इलेक्ट्रॉनों को त्वरित करने का पहला सफल प्रयास 1942 में डोनाल्ड कर्स्ट द्वारा किया गया था। उनका प्रारंभिक बेटाट्रॉन 2.3 MeV की ऊर्जा तक पहुँच गया, जबकि बाद के बेटाट्रॉन ने 300 MeV प्राप्त किया। 1947 में, जनरल इलेक्ट्रिक में 70 MeV इलेक्ट्रॉन सिंक्रोट्रॉन के साथ सिंक्रोट्रॉन विकिरण की खोज की गई थी। यह विकिरण प्रकाश की गति के करीब चलते समय चुंबकीय क्षेत्र के माध्यम से इलेक्ट्रॉनों के त्वरण के कारण हुआ था।

1.5 GeV की बीम ऊर्जा के साथ, पहला उच्च-ऊर्जा कण कोलाइडर ADONE था, जिसने 1968 में परिचालन शुरू किया।[28] इस उपकरण ने इलेक्ट्रॉनों और पॉज़िट्रॉन को विपरीत दिशाओं में त्वरित किया, जिससे इलेक्ट्रॉन के साथ एक स्थिर लक्ष्य को टकराने की तुलना में उनके टकराव की ऊर्जा प्रभावी रूप से दोगुनी हो गई। CERN में लार्ज इलेक्ट्रॉन-पॉज़िट्रॉन कोलाइडर (LEP), जो 1989 से 2000 तक चालू था, ने 209 GeV की टक्कर ऊर्जा प्राप्त की और कण भौतिकी के मानक मॉडल के लिए महत्वपूर्ण माप किए।

व्यक्तिगत इलेक्ट्रॉनों का परिरोध

व्यक्तिगत इलेक्ट्रॉनों को अब अल्ट्रा-स्मॉल (1=L = 20 nm, 1=W = 20 nm) CMOS ट्रांजिस्टर में आसानी से परिरुद्ध किया जा सकता है, जो लगभग 4 K (−269 °C) से 15 K (−258 °C) की सीमा पर क्रायोजेनिक तापमान पर संचालित होते हैं।[29] इलेक्ट्रॉन तरंग फलन एक अर्धचालक जाली (semiconductor lattice) में फैलता है और वैलेंस बैंड इलेक्ट्रॉनों के साथ नगण्य रूप से परस्पर क्रिया करता है, इसलिए इसे इसके द्रव्यमान को प्रभावी-द्रव्यमान टेंसर (effective-mass tensor) से बदलकर एकल कण औपचारिकता में माना जा सकता है।

वर्गीकरण

कण भौतिकी के मानक मॉडल में, इलेक्ट्रॉन लेप्टॉन नामक उप-परमाणु कणों के समूह से संबंधित हैं, जिन्हें मौलिक या प्राथमिक कण माना जाता है। इलेक्ट्रॉनों का द्रव्यमान किसी भी आवेशित लेप्टॉन (या किसी भी प्रकार के विद्युत आवेशित कण) में सबसे कम होता है और वे मौलिक कणों की पहली पीढ़ी से संबंधित हैं।[30] दूसरी और तीसरी पीढ़ी में आवेशित लेप्टॉन, म्यूऑन और टाऊ शामिल हैं, जो आवेश, स्पिन और अंतःक्रियाओं में इलेक्ट्रॉन के समान हैं, लेकिन अधिक द्रव्यमान वाले हैं। लेप्टॉन पदार्थ के अन्य मूल घटक, क्वार्क, से अपनी प्रबल अन्योन्यक्रिया (strong interaction) की कमी के कारण भिन्न होते हैं। लेप्टॉन समूह के सभी सदस्य फर्मिऑन हैं क्योंकि उन सभी का स्पिन आधा-विषम पूर्णांक होता है; इलेक्ट्रॉन का स्पिन ħ/2 होता है।

मौलिक गुण

द्रव्यमान

इलेक्ट्रॉन का नियत द्रव्यमान (invariant mass) लगभग me या me_Da है। द्रव्यमान-ऊर्जा तुल्यता के कारण, यह mec2 (mec2_MeV) की विराम ऊर्जा के अनुरूप है। प्रोटॉन के द्रव्यमान और इलेक्ट्रॉन के द्रव्यमान का अनुपात लगभग 1836 है।[31] खगोलीय माप दिखाते हैं कि प्रोटॉन-से-इलेक्ट्रॉन द्रव्यमान अनुपात का मान, जैसा कि मानक मॉडल द्वारा अनुमानित है, ब्रह्मांड की आयु के कम से कम आधे समय तक समान रहा है।

आवेश

इलेक्ट्रॉनों का विद्युत आवेश -1.602176634×10^-19 C होता है,[32] जिसे उप-परमाणु कणों के लिए आवेश की मानक इकाई के रूप में उपयोग किया जाता है, और इसे प्रारंभिक आवेश (elementary charge) भी कहा जाता है। प्रायोगिक सटीकता की सीमाओं के भीतर, इलेक्ट्रॉन का आवेश प्रोटॉन के आवेश के समान होता है, लेकिन विपरीत चिह्न के साथ।

इलेक्ट्रॉन को आमतौर पर electron द्वारा दर्शाया जाता है ताकि इसके ऋणात्मक आवेश को इंगित किया जा सके (इलेक्ट्रॉन के प्रतिकण, पॉज़िट्रॉन, को positron द्वारा दर्शाया जाता है ताकि इसके समान लेकिन धनात्मक आवेश को इंगित किया जा सके)।[33]

कोणीय संवेग

इलेक्ट्रॉन का एक आंतरिक कोणीय संवेग या स्पिन ħ/2 होता है।[32] यह गुण आमतौर पर इलेक्ट्रॉन को स्पिन-1/2 कण के रूप में संदर्भित करके बताया जाता है। ऐसे कणों के लिए स्पिन का परिमाण ħ/2 होता है, जबकि किसी भी अक्ष पर स्पिन के प्रक्षेप (projection) के मापन का परिणाम केवल ±ħ/2 हो सकता है। स्पिन के अलावा, इलेक्ट्रॉन का अपने स्पिन अक्ष के साथ एक आंतरिक चुंबकीय आघूर्ण होता है। यह लगभग एक बोर मैग्नेटोन के बराबर होता है,[note 4]=\frac{e\hbar}{2m_{\mathrm{e}}}</math>}} जो एक भौतिक स्थिरांक है और muB के बराबर है। इलेक्ट्रॉन के संवेग के सापेक्ष स्पिन का अभिविन्यास प्राथमिक कणों के उस गुण को परिभाषित करता है जिसे हेलिसिटी के रूप में जाना जाता है।

संरचना

इलेक्ट्रॉन की कोई ज्ञात उप-संरचना नहीं है।[1] फिर भी, संघनित पदार्थ भौतिकी (condensed matter physics) में, कुछ सामग्रियों में स्पिन-आवेश पृथक्करण (spin–charge separation) हो सकता है। ऐसे मामलों में, इलेक्ट्रॉन तीन स्वतंत्र कणों में 'विभाजित' हो जाते हैं: स्पिनोन, ऑर्बिटोन और होलोन (या चार्गोन)। इलेक्ट्रॉन को सैद्धांतिक रूप से हमेशा इन तीनों की एक बद्ध अवस्था (bound state) के रूप में माना जा सकता है, जिसमें स्पिनोन इलेक्ट्रॉन का स्पिन, ऑर्बिटोन कक्षीय स्वतंत्रता की डिग्री और चार्गोन आवेश को वहन करता है, लेकिन कुछ स्थितियों में वे स्वतंत्र क्वासीपार्टिकल्स के रूप में व्यवहार कर सकते हैं।

आकार

इलेक्ट्रॉन-इलेक्ट्रॉन प्रकीर्णन कूलम्ब के नियम से कोई विचलन नहीं दिखाता है: प्रयोगात्मक रूप से इलेक्ट्रॉन संरचनाहीन और बिंदु-समान है।[34]70 पेनिंग ट्रैप में एक एकल इलेक्ट्रॉन का अवलोकन कण की त्रिज्या की ऊपरी सीमा ×10^-22 m होने का सुझाव देता है। ऊर्जा में अनिश्चितता संबंध का उपयोग करके इलेक्ट्रॉन त्रिज्या की ऊपरी सीमा ×10^-18 m प्राप्त की जा सकती है।

इलेक्ट्रॉन के आकार की सैद्धांतिक अवधारणाएं अस्पष्ट हैं। सापेक्षतावादी क्वांटम यांत्रिकी में, डिराक समीकरण इलेक्ट्रॉन को एक बिंदु आवेश के रूप में मानता है, लेकिन समकक्ष न्यूटन-विग्नर रूप ऐसा नहीं करता है।[35] क्वांटम क्षेत्र सिद्धांत में स्व-ऊर्जा (self-energy) के गणितीय उपचार में न्यूनतम दूरी कटऑफ या समकक्ष ऊर्जा शामिल होती है। छोटी दूरियों (उच्च ऊर्जा) में अधिक पदों को जोड़ना शामिल होता है।9

गैर-क्वांटम यांत्रिक, गैर-बिंदु मॉडल बनाने के प्रयास विरोधाभासों की ओर ले जाते हैं। उदाहरण के लिए, शास्त्रीय इलेक्ट्रॉन त्रिज्या और इलेक्ट्रॉन के देखे गए जाइरोमैग्नेटिक अनुपात के साथ एक यांत्रिक रूप से घूमने वाले इलेक्ट्रॉन का स्पर्शरेखीय वेग प्रकाश की गति से अधिक होगा।[2] शास्त्रीय इलेक्ट्रॉन त्रिज्या, 2.8179×10^-15 m के बहुत बड़े मान के साथ (प्रोटॉन की त्रिज्या से अधिक), एक भौतिक स्थिरांक के रूप में उपयोग किया जाता है लेकिन यह इलेक्ट्रॉन की मौलिक संरचना का माप नहीं है।

जीवनकाल

कण भौतिकी के मानक मॉडल के भीतर, इलेक्ट्रॉन को स्थिर माना जाता है।[36] इलेक्ट्रॉन गैर-शून्य विद्युत आवेश वाला सबसे कम द्रव्यमान वाला ज्ञात कण है: ऊर्जा संरक्षण को मानते हुए, इसका क्षय आवेश संरक्षण का उल्लंघन करेगा। कई प्रयोगात्मक प्रयासों ने इलेक्ट्रॉन क्षय की तलाश करके मानक मॉडल और आवेश संरक्षण की विफलताओं की खोज की है। इलेक्ट्रॉन के औसत जीवनकाल के लिए प्रयोगात्मक निचली सीमा 90% विश्वास स्तर पर 6.6×10^28 वर्ष है।

क्वांटम गुण

सभी कणों की तरह, इलेक्ट्रॉन तरंगों के रूप में कार्य कर सकते हैं। इसे तरंग-कण द्वैत कहा जाता है और इसे द्वि-झिरी प्रयोग (double-slit experiment) का उपयोग करके प्रदर्शित किया जा सकता है।

इलेक्ट्रॉन की तरंग-जैसी प्रकृति इसे एक शास्त्रीय कण के मामले की तरह केवल एक झिरी के बजाय, दो समानांतर झिरियों से एक साथ गुजरने की अनुमति देती है। क्वांटम यांत्रिकी में, एक कण के तरंग-जैसे गुण को गणितीय रूप से एक सम्मिश्र-मूल्यवान फलन, तरंग फलन (wave function) के रूप में वर्णित किया जा सकता है, जिसे आमतौर पर ग्रीक वर्णमाला के अक्षर साई (ψ) द्वारा दर्शाया जाता है। जब इस फलन के निरपेक्ष मान का वर्ग किया जाता है, तो यह वह प्रायिकता देता है कि एक कण किसी स्थान के पास देखा जाएगा—एक प्रायिकता घनत्व फलन।[37]162–218

इलेक्ट्रॉन समान कण (identical particles) होते हैं क्योंकि उन्हें उनके आंतरिक भौतिक गुणों द्वारा एक-दूसरे से अलग नहीं किया जा सकता है। क्वांटम यांत्रिकी में, इसका मतलब है कि परस्पर क्रिया करने वाले इलेक्ट्रॉनों की एक जोड़ी को सिस्टम की स्थिति में कोई अवलोकन योग्य परिवर्तन किए बिना स्थान बदलने में सक्षम होना चाहिए। फर्मिऑनों का तरंग फलन, जिसमें इलेक्ट्रॉन शामिल हैं, प्रतिसममित (antisymmetric) होता है, जिसका अर्थ है कि जब दो इलेक्ट्रॉनों की अदला-बदली की जाती है तो यह अपना चिह्न बदल लेता है; अर्थात, ψ(r1, r2) = −ψ(r2, r1), जहाँ चर r1 और r2 क्रमशः पहले और दूसरे इलेक्ट्रॉन के अनुरूप हैं। चूंकि निरपेक्ष मान चिह्न बदलने से नहीं बदलता है, इसलिए यह समान प्रायिकताओं के अनुरूप है। बोसॉन, जैसे कि फोटॉन, के तरंग फलन इसके बजाय सममित होते हैं।[37]162–218

प्रतिसममिति के मामले में, परस्पर क्रिया करने वाले इलेक्ट्रॉनों के लिए तरंग समीकरण के समाधान का परिणाम यह होता है कि प्रत्येक जोड़ी के एक ही स्थान या स्थिति पर कब्जा करने की शून्य प्रायिकता होती है। यह पाउली अपवर्जन सिद्धांत के लिए जिम्मेदार है, जो किसी भी दो इलेक्ट्रॉनों को एक ही क्वांटम स्थिति पर कब्जा करने से रोकता है। यह सिद्धांत इलेक्ट्रॉनों के कई गुणों की व्याख्या करता है। उदाहरण के लिए, यह बद्ध इलेक्ट्रॉनों के समूहों को एक ही कक्षा में एक-दूसरे के ऊपर ओवरलैप करने के बजाय, परमाणु में विभिन्न कक्षकों (orbitals) पर कब्जा करने का कारण बनता है।[37]162–218

आभासी कण

মূল নিবন্ধ: Virtual particle एक सरलीकृत चित्रण में, जो अक्सर गलत धारणा देने की प्रवृत्ति रखता है लेकिन कुछ पहलुओं को स्पष्ट करने के लिए काम आ सकता है, प्रत्येक फोटॉन कुछ समय एक आभासी इलेक्ट्रॉन और उसके प्रतिकण, आभासी पॉज़िट्रॉन के संयोजन के रूप में व्यतीत करता है, जो उसके तुरंत बाद तेजी से एक-दूसरे का विनाश (annihilate) कर देते हैं।[38] इन कणों को बनाने के लिए आवश्यक ऊर्जा भिन्नता और उनके अस्तित्व की अवधि, हाइजेनबर्ग अनिश्चितता संबंध, ΔE · Δt ≥ ħ द्वारा व्यक्त पता लगाने की सीमा के अंतर्गत आती है। वास्तव में, इन आभासी कणों को बनाने के लिए आवश्यक ऊर्जा, ΔE, को निर्वात से Δt समय के लिए "उधार" लिया जा सकता है, ताकि उनका गुणनफल reduced Planck constant, ħ ≈ 6.6×10^-16 eV·s से अधिक न हो। इस प्रकार, एक आभासी इलेक्ट्रॉन के लिए, Δt अधिकतम 1.3×10^-21 s होता है।

जब एक इलेक्ट्रॉन-पॉज़िट्रॉन आभासी जोड़ा अस्तित्व में होता है, तो इलेक्ट्रॉन के चारों ओर के परिवेशी विद्युत क्षेत्र से उत्पन्न कूलम्ब बल के कारण एक निर्मित पॉज़िट्रॉन मूल इलेक्ट्रॉन की ओर आकर्षित होता है, जबकि एक निर्मित इलेक्ट्रॉन प्रतिकर्षण का अनुभव करता है। यह निर्वात ध्रुवीकरण कहलाता है। वास्तव में, निर्वात एक ऐसे माध्यम की तरह व्यवहार करता है जिसकी परावैद्युत पारगम्यता इकाई से अधिक होती है। इस प्रकार, एक इलेक्ट्रॉन का प्रभावी आवेश वास्तव में उसके वास्तविक मान से छोटा होता है, और इलेक्ट्रॉन से दूरी बढ़ने के साथ आवेश कम होता जाता है।[39] इस ध्रुवीकरण की पुष्टि 1997 में जापानी TRISTAN कण त्वरक का उपयोग करके प्रयोगात्मक रूप से की गई थी। आभासी कण इलेक्ट्रॉन के द्रव्यमान के लिए तुलनीय परिरक्षण प्रभाव उत्पन्न करते हैं।

आभासी कणों के साथ परस्पर क्रिया इलेक्ट्रॉन के आंतरिक चुंबकीय आघूर्ण के बोर मैग्नेटॉन से (~0.1%) विचलन (जिसे असामान्य चुंबकीय आघूर्ण कहा जाता है) की भी व्याख्या करती है।[40] इस अनुमानित अंतर की प्रयोगात्मक रूप से निर्धारित मान के साथ सटीक सहमति को क्वांटम इलेक्ट्रोडायनामिक्स की महान उपलब्धियों में से एक माना जाता है।

शास्त्रीय भौतिकी में एक बिंदु कण इलेक्ट्रॉन के आंतरिक कोणीय संवेग और चुंबकीय आघूर्ण होने के स्पष्ट विरोधाभास को इलेक्ट्रॉन द्वारा उत्पन्न विद्युत क्षेत्र में आभासी फोटॉनों के निर्माण द्वारा समझाया जा सकता है। इन फोटॉनों को अनुभवजन्य रूप से यह माना जा सकता है कि ये इलेक्ट्रॉन को अस्थिर तरीके से स्थानांतरित करने का कारण बनते हैं (जिसे ज़िटरबेवेगंग कहा जाता है), जिसके परिणामस्वरूप पुरस्सरण के साथ एक शुद्ध वृत्तीय गति होती है।[41] यह गति इलेक्ट्रॉन के स्पिन और चुंबकीय आघूर्ण दोनों का उत्पादन करती है। परमाणुओं में, आभासी फोटॉनों का यह निर्माण स्पेक्ट्रल लाइनों में देखे गए लैम्ब शिफ्ट की व्याख्या करता है। कॉम्पटन तरंगदैर्ध्य दर्शाती है कि इलेक्ट्रॉन जैसे प्राथमिक कणों के पास, ऊर्जा की अनिश्चितता इलेक्ट्रॉन के पास आभासी कणों के निर्माण की अनुमति देती है। यह तरंगदैर्ध्य निकट दूरी पर प्राथमिक कणों के चारों ओर आभासी कणों के "स्थिर" (static) होने की व्याख्या करती है।

परस्पर क्रिया

एक इलेक्ट्रॉन एक विद्युत क्षेत्र उत्पन्न करता है जो धनात्मक आवेश वाले कण, जैसे कि प्रोटॉन, पर आकर्षण बल और ऋणात्मक आवेश वाले कण पर प्रतिकर्षण बल लगाता है। गैर-सापेक्षतावादी सन्निकटन में इस बल की शक्ति कूलम्ब के व्युत्क्रम वर्ग नियम द्वारा निर्धारित होती है।[42]58–61 जब एक इलेक्ट्रॉन गति में होता है, तो वह एक चुंबकीय क्षेत्र उत्पन्न करता है।140 एम्पीयर-मैक्सवेल नियम चुंबकीय क्षेत्र को एक प्रेक्षक के सापेक्ष इलेक्ट्रॉनों की द्रव्यमान गति (विद्युत धारा) से संबंधित करता है। प्रेरण का यह गुण वह चुंबकीय क्षेत्र प्रदान करता है जो विद्युत मोटर को चलाता है। किसी भी गतिमान आवेशित कण का विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र लिएनार्ड-विचेर्ट विभव द्वारा व्यक्त किया जाता है, जो तब भी मान्य होते हैं जब कण की गति प्रकाश की गति के करीब (सापेक्षतावादी) होती है।429–434

जब एक इलेक्ट्रॉन चुंबकीय क्षेत्र के माध्यम से गति कर रहा होता है, तो वह लोरेंत्ज़ बल के अधीन होता है जो चुंबकीय क्षेत्र और इलेक्ट्रॉन वेग द्वारा परिभाषित तल के लंबवत कार्य करता है। यह अभिकेंद्र बल इलेक्ट्रॉन को जायरोरेडियस नामक त्रिज्या पर क्षेत्र के माध्यम से एक कुंडलाकार (helical) प्रक्षेपवक्र का अनुसरण करने के लिए प्रेरित करता है। इस वक्र गति से उत्पन्न त्वरण इलेक्ट्रॉन को सिंक्रोट्रॉन विकिरण के रूप में ऊर्जा विकीर्ण करने के लिए प्रेरित करता है।[43][note 5]160 ऊर्जा उत्सर्जन बदले में इलेक्ट्रॉन के पीछे हटने का कारण बनता है, जिसे अब्राहम-लोरेंत्ज़-डिराक बल के रूप में जाना जाता है, जो एक घर्षण पैदा करता है जो इलेक्ट्रॉन को धीमा कर देता है। यह बल इलेक्ट्रॉन के अपने क्षेत्र की स्वयं पर प्रतिक्रिया के कारण होता है।

क्वांटम इलेक्ट्रोडायनामिक्स में फोटॉन कणों के बीच विद्युत चुम्बकीय परस्पर क्रिया को मध्यस्थ करते हैं। स्थिर वेग पर एक पृथक इलेक्ट्रॉन वास्तविक फोटॉन का उत्सर्जन या अवशोषण नहीं कर सकता है; ऐसा करना ऊर्जा संरक्षण और संवेग का उल्लंघन होगा। इसके बजाय, आभासी फोटॉन दो आवेशित कणों के बीच संवेग स्थानांतरित कर सकते हैं। उदाहरण के लिए, आभासी फोटॉनों का यह आदान-प्रदान कूलम्ब बल उत्पन्न करता है।[44] ऊर्जा उत्सर्जन तब हो सकता है जब एक गतिमान इलेक्ट्रॉन किसी आवेशित कण, जैसे कि प्रोटॉन, द्वारा विक्षेपित होता है। इलेक्ट्रॉन का मंदन ब्रेम्सस्ट्रालुंग विकिरण के उत्सर्जन का परिणाम होता है।

एक फोटॉन (प्रकाश) और एक अकेले (मुक्त) इलेक्ट्रॉन के बीच एक अप्रत्यास्थ टक्कर को कॉम्पटन प्रकीर्णन कहा जाता है। यह टक्कर कणों के बीच संवेग और ऊर्जा के हस्तांतरण का परिणाम है, जो फोटॉन की तरंगदैर्ध्य को एक मात्रा से संशोधित करती है जिसे कॉम्पटन शिफ्ट कहा जाता है।[note 6]c} (1 - \cos \theta),</math> जहाँ c निर्वात में प्रकाश की गति है और me इलेक्ट्रॉन का द्रव्यमान है। ज़ोम्बेक (2007) देखें।[45]393, 396 }} इस तरंगदैर्ध्य शिफ्ट का अधिकतम परिमाण h/mec है, जिसे कॉम्पटन तरंगदैर्ध्य के रूप में जाना जाता है। एक इलेक्ट्रॉन के लिए, इसका मान 2.43×10^-12 m होता है। जब प्रकाश की तरंगदैर्ध्य लंबी होती है (उदाहरण के लिए, दृश्य प्रकाश की तरंगदैर्ध्य 0.4–0.7 μm होती है) तो तरंगदैर्ध्य शिफ्ट नगण्य हो जाती है। प्रकाश और मुक्त इलेक्ट्रॉनों के बीच ऐसी परस्पर क्रिया को थॉमसन प्रकीर्णन या रैखिक थॉमसन प्रकीर्णन कहा जाता है।

दो आवेशित कणों, जैसे कि एक इलेक्ट्रॉन और एक प्रोटॉन, के बीच विद्युत-चुंबकीय अन्योन्यक्रिया (electromagnetic interaction) की सापेक्ष शक्ति फाइन-स्ट्रक्चर कांस्टेंट (fine-structure constant) द्वारा दी जाती है। यह मान एक विमाहीन राशि है जो दो ऊर्जाओं के अनुपात से बनती है: एक कॉम्पटन तरंगदैर्घ्य (Compton wavelength) की दूरी पर आकर्षण (या प्रतिकर्षण) की इलेक्ट्रोस्टैटिक ऊर्जा, और आवेश की विराम ऊर्जा (rest energy)। यह alpha द्वारा दी जाती है, जो लगभग 1/137 के बराबर है।

जब इलेक्ट्रॉन और पॉज़िट्रॉन आपस में टकराते हैं, तो वे एक-दूसरे को विनाश (annihilate) कर देते हैं, जिससे दो या दो से अधिक गामा किरण फोटॉन उत्पन्न होते हैं। यदि इलेक्ट्रॉन और पॉज़िट्रॉन का संवेग नगण्य हो, तो विनाश से पहले एक पॉज़िट्रोनियम परमाणु बन सकता है, जिसके परिणामस्वरूप दो या तीन गामा किरण फोटॉन निकलते हैं जिनकी कुल ऊर्जा 1.022 MeV होती है।[46] दूसरी ओर, एक उच्च-ऊर्जा फोटॉन युग्म उत्पादन (pair production) नामक प्रक्रिया द्वारा इलेक्ट्रॉन और पॉज़िट्रॉन में परिवर्तित हो सकता है, लेकिन केवल किसी निकटवर्ती आवेशित कण, जैसे कि नाभिक, की उपस्थिति में।

इलेक्ट्रोवीक अन्योन्यक्रिया (electroweak interaction) के सिद्धांत में, इलेक्ट्रॉन के वेवफंक्शन का वाम-हस्त (left-handed) घटक इलेक्ट्रॉन न्यूट्रिनो के साथ एक वीक आइसोस्पिन (weak isospin) डबलेट बनाता है। इसका अर्थ है कि वीक इंटरैक्शन के दौरान, इलेक्ट्रॉन न्यूट्रिनो इलेक्ट्रॉनों की तरह व्यवहार करते हैं। इस डबलेट का कोई भी सदस्य W boson उत्सर्जित या अवशोषित करके चार्ज्ड करंट (charged current) अन्योन्यक्रिया से गुजर सकता है और दूसरे सदस्य में परिवर्तित हो सकता है। इस अभिक्रिया के दौरान आवेश संरक्षित रहता है क्योंकि W बोसन पर भी आवेश होता है, जो रूपांतरण के दौरान किसी भी शुद्ध परिवर्तन को समाप्त कर देता है। चार्ज्ड करंट अन्योन्यक्रियाएं एक रेडियोधर्मी परमाणु में बीटा क्षय (beta decay) की घटना के लिए जिम्मेदार होती हैं। इलेक्ट्रॉन और इलेक्ट्रॉन न्यूट्रिनो दोनों Z boson0 विनिमय के माध्यम से न्यूट्रल करंट (neutral current) अन्योन्यक्रिया से गुजर सकते हैं, और यह न्यूट्रिनो-इलेक्ट्रॉन प्रत्यास्थ प्रकीर्णन (elastic scattering) के लिए जिम्मेदार है।[47]

परमाणुओं और अणुओं में

মূল নিবন্ধ: Atom

एक इलेक्ट्रॉन परमाणु के नाभिक से आकर्षक कूलम्ब बल द्वारा बद्ध (bound) हो सकता है। एक नाभिक से बद्ध एक या अधिक इलेक्ट्रॉनों की प्रणाली को परमाणु कहा जाता है। यदि इलेक्ट्रॉनों की संख्या नाभिक के विद्युत आवेश से भिन्न है, तो ऐसे परमाणु को आयन कहा जाता है। एक बद्ध इलेक्ट्रॉन के तरंग-जैसे व्यवहार को परमाणु कक्षक (atomic orbital) नामक फलन द्वारा वर्णित किया जाता है। प्रत्येक कक्षक के अपने क्वांटम नंबर होते हैं जैसे ऊर्जा, कोणीय संवेग, और कोणीय संवेग का प्रक्षेपण। नाभिक के चारों ओर इन कक्षकों का केवल एक विविक्त (discrete) समूह ही मौजूद होता है। पाउली के अपवर्जन सिद्धांत के अनुसार, प्रत्येक कक्षक में अधिकतम दो इलेक्ट्रॉन हो सकते हैं, जिन्हें अपने स्पिन क्वांटम नंबर में भिन्न होना चाहिए।

इलेक्ट्रॉन उन फोटॉनों के उत्सर्जन या अवशोषण द्वारा विभिन्न कक्षकों के बीच स्थानांतरित हो सकते हैं जिनकी ऊर्जा कक्षकों के बीच संभावित अंतर से मेल खाती है।[48]159–160 कक्षीय स्थानांतरण के अन्य तरीकों में कणों, जैसे कि इलेक्ट्रॉनों के साथ टकराव, और ऑगर प्रभाव (Auger effect) शामिल हैं। परमाणु से बाहर निकलने के लिए, इलेक्ट्रॉन की ऊर्जा को परमाणु के साथ उसकी बंधन ऊर्जा (binding energy) से ऊपर बढ़ाया जाना चाहिए। यह, उदाहरण के लिए, प्रकाश-विद्युत प्रभाव (photoelectric effect) के साथ होता है, जहाँ परमाणु की आयनन ऊर्जा से अधिक का आपतित फोटॉन इलेक्ट्रॉन द्वारा अवशोषित कर लिया जाता है।127–132

इलेक्ट्रॉनों का कक्षीय कोणीय संवेग क्वांटाइज्ड होता है। चूंकि इलेक्ट्रॉन आवेशित होता है, इसलिए यह एक कक्षीय चुंबकीय आघूर्ण (magnetic moment) उत्पन्न करता है जो कोणीय संवेग के समानुपाती होता है। परमाणु का शुद्ध चुंबकीय आघूर्ण सभी इलेक्ट्रॉनों और नाभिक के कक्षीय और स्पिन चुंबकीय आघूर्णों के सदिश योग के बराबर होता है। इलेक्ट्रॉनों की तुलना में नाभिक का चुंबकीय आघूर्ण नगण्य होता है। एक ही कक्षक में रहने वाले इलेक्ट्रॉनों के चुंबकीय आघूर्ण, जिन्हें युग्मित इलेक्ट्रॉन कहा जाता है, एक-दूसरे को समाप्त कर देते हैं।[49]

परमाणुओं के बीच रासायनिक बंधन क्वांटम यांत्रिकी के नियमों द्वारा वर्णित विद्युत-चुंबकीय अन्योन्यक्रियाओं के परिणामस्वरूप होता है।[50] सबसे मजबूत बंधन परमाणुओं के बीच इलेक्ट्रॉनों के साझाकरण या इलेक्ट्रॉन स्थानांतरण द्वारा बनते हैं, जिससे अणुओं का निर्माण होता है। एक अणु के भीतर, इलेक्ट्रॉन कई नाभिकों के प्रभाव में चलते हैं, और आणविक कक्षक (molecular orbitals) पर कब्जा करते हैं; काफी हद तक वैसे ही जैसे वे अलग-थलग परमाणुओं में परमाणु कक्षकों पर कब्जा करते हैं। इन आणविक संरचनाओं में एक मौलिक कारक इलेक्ट्रॉन युग्म (electron pairs) का अस्तित्व है। ये विपरीत स्पिन वाले इलेक्ट्रॉन होते हैं, जो उन्हें पाउली के अपवर्जन सिद्धांत का उल्लंघन किए बिना एक ही आणविक कक्षक पर कब्जा करने की अनुमति देते हैं (परमाणुओं की तरह)। विभिन्न आणविक कक्षकों में इलेक्ट्रॉन घनत्व का स्थानिक वितरण अलग-अलग होता है। उदाहरण के लिए, बंधित युग्मों (जो वास्तव में परमाणुओं को एक साथ बांधते हैं) में होने पर इलेक्ट्रॉनों को नाभिक के बीच अपेक्षाकृत छोटे आयतन में अधिकतम प्रायिकता के साथ पाया जा सकता है। इसके विपरीत, गैर-बंधित युग्मों में इलेक्ट्रॉन नाभिक के चारों ओर एक बड़े आयतन में वितरित होते हैं।

चालकता

[51] यदि इलेक्ट्रॉनों द्वारा प्रदान किया गया कुल ऋणात्मक आवेश नाभिक से प्राप्त धनात्मक आवेश के बराबर नहीं है, तो किसी वस्तु पर शुद्ध विद्युत आवेश होता है। जब इलेक्ट्रॉनों की अधिकता होती है, तो वस्तु को ऋणात्मक रूप से आवेशित कहा जाता है। जब इलेक्ट्रॉनों की कमी होती है, तो वस्तु को धनात्मक रूप से आवेशित कहा जाता है। जब इलेक्ट्रॉनों की संख्या और प्रोटॉन की संख्या बराबर होती है, तो उनके आवेश एक-दूसरे को समाप्त कर देते हैं और वस्तु को विद्युत रूप से उदासीन कहा जाता है। एक स्थूल पिंड ट्राइबोइलेक्ट्रिक प्रभाव द्वारा रगड़कर विद्युत आवेश विकसित कर सकता है।

निर्वात में गति करने वाले स्वतंत्र इलेक्ट्रॉनों को मुक्त इलेक्ट्रॉन कहा जाता है। धातुओं में इलेक्ट्रॉन भी ऐसे व्यवहार करते हैं जैसे वे मुक्त हों। वास्तव में, धातुओं और अन्य ठोस पदार्थों में जिन्हें आमतौर पर इलेक्ट्रॉन कहा जाता है, वे अर्ध-इलेक्ट्रॉन (quasi-electrons) होते हैं – क्वासीपार्टिकल (quasiparticles), जिनका विद्युत आवेश, स्पिन और चुंबकीय आघूर्ण वास्तविक इलेक्ट्रॉनों के समान होता है, लेकिन उनका द्रव्यमान भिन्न हो सकता है।[52] जब मुक्त इलेक्ट्रॉन – निर्वात और धातुओं दोनों में – गति करते हैं, तो वे आवेश का एक शुद्ध प्रवाह उत्पन्न करते हैं जिसे विद्युत धारा कहा जाता है, जो एक चुंबकीय क्षेत्र उत्पन्न करता है। इसी तरह, एक बदलते चुंबकीय क्षेत्र द्वारा धारा बनाई जा सकती है। इन अन्योन्यक्रियाओं का गणितीय वर्णन मैक्सवेल के समीकरणों द्वारा किया जाता है।

किसी दिए गए तापमान पर, प्रत्येक पदार्थ में एक विद्युत चालकता होती है जो विद्युत विभव लागू होने पर विद्युत धारा के मान को निर्धारित करती है। अच्छे चालकों के उदाहरणों में तांबा और सोना जैसी धातुएं शामिल हैं, जबकि कांच और टेफ्लॉन खराब चालक हैं। किसी भी परावैद्युत (dielectric) पदार्थ में, इलेक्ट्रॉन अपने संबंधित परमाणुओं से बंधे रहते हैं और पदार्थ एक अचालक के रूप में व्यवहार करता है। अधिकांश अर्धचालकों में चालकता का स्तर परिवर्तनशील होता है जो चालन और अचालन के चरम के बीच होता है।[53] दूसरी ओर, धातुओं में एक इलेक्ट्रॉनिक बैंड संरचना होती है जिसमें आंशिक रूप से भरे हुए इलेक्ट्रॉनिक बैंड होते हैं। ऐसे बैंड की उपस्थिति धातुओं में इलेक्ट्रॉनों को इस तरह व्यवहार करने की अनुमति देती है जैसे कि वे मुक्त या विस्थानीकृत इलेक्ट्रॉन हों। ये इलेक्ट्रॉन विशिष्ट परमाणुओं से जुड़े नहीं होते हैं, इसलिए जब एक विद्युत क्षेत्र लागू किया जाता है, तो वे मुक्त इलेक्ट्रॉनों की तरह पदार्थ के माध्यम से एक गैस (जिसे फर्मी गैस कहा जाता है) की तरह चलने के लिए स्वतंत्र होते हैं।

इलेक्ट्रॉनों और परमाणुओं के बीच टकराव के कारण, एक चालक में इलेक्ट्रॉनों का अपवाह वेग (drift velocity) मिलीमीटर प्रति सेकंड के क्रम का होता है। हालाँकि, वह गति जिस पर पदार्थ में एक बिंदु पर धारा में परिवर्तन पदार्थ के अन्य भागों में धारा में परिवर्तन का कारण बनता है, यानी तरंग प्रसार वेग, आमतौर पर प्रकाश की गति का लगभग 75% होता है।[54] ऐसा इसलिए होता है क्योंकि विद्युत संकेत एक तरंग के रूप में प्रसारित होते हैं, जिसका वेग पदार्थ के परावैद्युत स्थिरांक पर निर्भर करता है।

धातुएं ऊष्मा की अपेक्षाकृत अच्छी चालक होती हैं, मुख्य रूप से इसलिए क्योंकि विस्थानीकृत इलेक्ट्रॉन परमाणुओं के बीच तापीय ऊर्जा का परिवहन करने के लिए स्वतंत्र होते हैं। हालाँकि, विद्युत चालकता के विपरीत, धातु की तापीय चालकता तापमान से लगभग स्वतंत्र होती है। इसे वीडेमैन-फ्रांज नियम[55] द्वारा गणितीय रूप से व्यक्त किया जाता है, जो बताता है कि तापीय चालकता और विद्युत चालकता का अनुपात तापमान के समानुपाती होता है। धात्विक जालक में तापीय विकार पदार्थ की विद्युत प्रतिरोधकता को बढ़ाता है, जिससे विद्युत धारा के लिए तापमान पर निर्भरता उत्पन्न होती है।

जब क्रांतिक तापमान नामक बिंदु से नीचे ठंडा किया जाता है, तो पदार्थ एक चरण संक्रमण से गुजर सकते हैं जिसमें वे विद्युत धारा के प्रति अपनी सभी प्रतिरोधकता खो देते हैं, इस प्रक्रिया को अतिचालकता के रूप में जाना जाता है। BCS सिद्धांत में, कूपर युग्म नामक इलेक्ट्रॉनों के जोड़े की गति फोनोन नामक जालक कंपन के माध्यम से आसपास के पदार्थ से जुड़ी होती है, जिससे उन टकरावों से बचा जा सकता है जो सामान्य रूप से विद्युत प्रतिरोध पैदा करते हैं।[56] (कूपर युग्मों की त्रिज्या लगभग 100 nm होती है, इसलिए वे एक-दूसरे के ऊपर आच्छादित हो सकते हैं।) हालाँकि, वह तंत्र जिसके द्वारा उच्च तापमान वाले अतिचालक कार्य करते हैं, अनिश्चित बना हुआ है।

चालक ठोस पदार्थों के अंदर के इलेक्ट्रॉन, जो स्वयं अर्ध-कण (quasi-particles) होते हैं, जब परम शून्य के करीब तापमान पर कसकर सीमित होते हैं, तो वे ऐसे व्यवहार करते हैं जैसे कि वे तीन अन्य क्वासीपार्टिकल्स में विभाजित हो गए हों: स्पिनोन, ऑर्बिटोन और होलॉन।[57] पहला स्पिन और चुंबकीय आघूर्ण वहन करता है, दूसरा इसकी कक्षीय स्थिति को वहन करता है जबकि तीसरा विद्युत आवेश को।

आपेक्षिक प्रभाव

आइंस्टीन के विशेष सापेक्षता के सिद्धांत के अनुसार, जैसे-जैसे इलेक्ट्रॉन की गति प्रकाश की गति के करीब पहुँचती है, एक पर्यवेक्षक के दृष्टिकोण से इसका आपेक्षिक द्रव्यमान बढ़ जाता है, जिससे पर्यवेक्षक के संदर्भ फ्रेम के सापेक्ष इसे त्वरित करना अधिक से अधिक कठिन हो जाता है। इलेक्ट्रॉन की गति निर्वात में प्रकाश की गति, 'c' के करीब पहुँच सकती है, लेकिन कभी भी उस तक नहीं पहुँच सकती। हालाँकि, जब आपेक्षिक इलेक्ट्रॉन—अर्थात, 'c' के करीब गति से चलने वाले इलेक्ट्रॉन—को पानी जैसे परावैद्युत माध्यम में इंजेक्ट किया जाता है, जहाँ प्रकाश की स्थानीय गति 'c' से काफी कम होती है, तो इलेक्ट्रॉन अस्थायी रूप से माध्यम में प्रकाश से तेज यात्रा करते हैं। जैसे ही वे माध्यम के साथ परस्पर क्रिया करते हैं, वे चेरेनकोव विकिरण नामक एक हल्की रोशनी उत्पन्न करते हैं।[58]

विशेष सापेक्षता के प्रभाव लोरेंत्ज़ कारक नामक एक मात्रा पर आधारित हैं, जिसे γ=1/1−v2/c2 के रूप में परिभाषित किया गया है, जहाँ 'v' कण की गति है। वेग 'v' के साथ चलने वाले इलेक्ट्रॉन की गतिज ऊर्जा Ke है:

Ke=(γ−1)mec2,

जहाँ me इलेक्ट्रॉन का द्रव्यमान है। उदाहरण के लिए, स्टैनफोर्ड लीनियर एक्सेलेरेटर एक इलेक्ट्रॉन को लगभग 51 GeV तक त्वरित कर सकता है।[59] चूंकि एक इलेक्ट्रॉन एक तरंग के रूप में व्यवहार करता है, इसलिए एक निश्चित वेग पर इसकी एक विशिष्ट डी ब्रोग्ली तरंगदैर्ध्य होती है। यह λe = h/p द्वारा दी जाती है जहाँ h प्लांक स्थिरांक है और p संवेग है। उपरोक्त 51 GeV इलेक्ट्रॉन के लिए, तरंगदैर्ध्य लगभग 2.4×10^-17 m है, जो परमाणु नाभिक के आकार से काफी नीचे की संरचनाओं का पता लगाने के लिए पर्याप्त छोटी है।

निर्माण

[60]

बिग बैंग सिद्धांत ब्रह्मांड के विकास के शुरुआती चरणों की व्याख्या करने के लिए सबसे व्यापक रूप से स्वीकृत वैज्ञानिक सिद्धांत है।[61] बिग बैंग के पहले मिलीसेकंड के लिए, तापमान 10 बिलियन केल्विन से अधिक था और फोटॉन की औसत ऊर्जा दस लाख इलेक्ट्रॉनवोल्ट से अधिक थी। ये फोटॉन पर्याप्त ऊर्जावान थे कि वे एक-दूसरे के साथ प्रतिक्रिया करके इलेक्ट्रॉन और पॉज़िट्रॉन के जोड़े बना सकें। इसी तरह, पॉज़िट्रॉन-इलेक्ट्रॉन जोड़े एक-दूसरे को नष्ट (annihilate) कर देते थे और ऊर्जावान फोटॉन उत्सर्जित करते थे:

photon + photon ↔ positron + electron

ब्रह्मांड के विकास के इस चरण के दौरान इलेक्ट्रॉनों, पॉज़िट्रॉन और फोटॉनों के बीच एक संतुलन बनाए रखा गया था। हालाँकि, 15 सेकंड बीत जाने के बाद, ब्रह्मांड का तापमान उस सीमा से नीचे गिर गया जहाँ इलेक्ट्रॉन-पॉज़िट्रॉन का निर्माण हो सकता था। अधिकांश जीवित बचे इलेक्ट्रॉनों और पॉज़िट्रॉन ने एक-दूसरे को नष्ट कर दिया, जिससे गामा विकिरण निकला जिसने संक्षेप में ब्रह्मांड को फिर से गर्म कर दिया।

अनिश्चित कारणों से, विनाश प्रक्रिया (annihilation process) के दौरान प्रतिकणों (antiparticles) की तुलना में कणों की संख्या में अधिकता थी। इसलिए, प्रत्येक अरब इलेक्ट्रॉन-पॉज़िट्रॉन युग्मों में से लगभग एक इलेक्ट्रॉन बच गया। यह अधिकता प्रोटॉन की एंटीप्रोटॉन पर अधिकता से मेल खाती थी, जिसे बेरियन विषमता (baryon asymmetry) के रूप में जाना जाता है, जिसके परिणामस्वरूप ब्रह्मांड का कुल आवेश शून्य हो गया।[62] बचे हुए प्रोटॉन और न्यूट्रॉन ने एक-दूसरे के साथ प्रतिक्रिया करना शुरू किया—इस प्रक्रिया को नाभिकीय संश्लेषण (nucleosynthesis) के रूप में जाना जाता है, जिससे हाइड्रोजन और हीलियम के समस्थानिक (isotopes) बने, साथ ही लिथियम की सूक्ष्म मात्रा भी बनी। यह प्रक्रिया लगभग पाँच मिनट के बाद चरम पर थी। कोई भी शेष न्यूट्रॉन लगभग एक हजार सेकंड के अर्ध-आयु काल के साथ नकारात्मक बीटा क्षय (beta decay) से गुजरा, जिससे इस प्रक्रिया में एक प्रोटॉन और इलेक्ट्रॉन मुक्त हुआ:

Neutron → Proton + Electron + Electron antineutrino

अगले लगभग 300000–400000 years तक, अतिरिक्त इलेक्ट्रॉन इतने ऊर्जावान बने रहे कि वे परमाणु नाभिक (atomic nuclei) के साथ बंध नहीं सके। इसके बाद जो हुआ वह पुनर्संयोजन (recombination) के रूप में जाना जाने वाला काल है, जब तटस्थ परमाणु बने और विस्तार करता हुआ ब्रह्मांड विकिरण के लिए पारदर्शी हो गया।

बिग बैंग के लगभग दस लाख साल बाद, तारों की पहली पीढ़ी का निर्माण शुरू हुआ।[63] एक तारे के भीतर, तारकीय नाभिकीय संश्लेषण (stellar nucleosynthesis) के परिणामस्वरूप परमाणु नाभिकों के संलयन से पॉज़िट्रॉन का उत्पादन होता है। ये एंटीमैटर कण तुरंत इलेक्ट्रॉनों के साथ नष्ट (annihilate) हो जाते हैं, जिससे गामा किरणें निकलती हैं। शुद्ध परिणाम इलेक्ट्रॉनों की संख्या में निरंतर कमी और न्यूट्रॉन की संख्या में समान वृद्धि है। हालाँकि, तारकीय विकास (stellar evolution) की प्रक्रिया के परिणामस्वरूप रेडियोधर्मी समस्थानिकों का संश्लेषण हो सकता है। चयनित समस्थानिक बाद में नकारात्मक बीटा क्षय से गुजर सकते हैं, जिससे नाभिक से एक इलेक्ट्रॉन और एंटीन्यूट्रिनो उत्सर्जित होता है। इसका एक उदाहरण कोबाल्ट-60 (60Co) समस्थानिक है, जो क्षय होकर निकल-60 (60) बनाता है।

अपने जीवनकाल के अंत में, लगभग 20 सौर द्रव्यमान (solar masses) से अधिक का तारा ब्लैक होल बनाने के लिए गुरुत्वाकर्षण पतन (gravitational collapse) से गुजर सकता है। शास्त्रीय भौतिकी (classical physics) के अनुसार, ये विशाल तारकीय पिंड एक गुरुत्वाकर्षण आकर्षण उत्पन्न करते हैं जो इतना मजबूत होता है कि विद्युत चुम्बकीय विकिरण (electromagnetic radiation) जैसी किसी भी चीज़ को श्वार्ज़चाइल्ड त्रिज्या (Schwarzschild radius) से बाहर निकलने से रोकता है। हालाँकि, माना जाता है कि क्वांटम यांत्रिक प्रभाव इस दूरी पर हॉकिंग विकिरण (Hawking radiation) के उत्सर्जन की अनुमति दे सकते हैं। माना जाता है कि इन तारकीय अवशेषों के घटना क्षितिज (event horizon) पर इलेक्ट्रॉन (और पॉज़िट्रॉन) बनते हैं।

जब घटना क्षितिज के आसपास आभासी कणों (virtual particles) का एक जोड़ा (जैसे कि एक इलेक्ट्रॉन और पॉज़िट्रॉन) बनता है, तो यादृच्छिक स्थानिक स्थिति के परिणामस्वरूप उनमें से एक बाहरी हिस्से पर दिखाई दे सकता है; इस प्रक्रिया को क्वांटम टनलिंग (quantum tunnelling) कहा जाता है। ब्लैक होल का गुरुत्वाकर्षण विभव (gravitational potential) तब वह ऊर्जा प्रदान कर सकता है जो इस आभासी कण को एक वास्तविक कण में बदल देती है, जिससे यह अंतरिक्ष में विकिरण के रूप में दूर जा सकता है।[64] बदले में, जोड़े के दूसरे सदस्य को नकारात्मक ऊर्जा दी जाती है, जिसके परिणामस्वरूप ब्लैक होल द्वारा द्रव्यमान-ऊर्जा का शुद्ध नुकसान होता है। हॉकिंग विकिरण की दर द्रव्यमान घटने के साथ बढ़ती है, जिससे अंततः ब्लैक होल तब तक वाष्पित हो जाता है जब तक कि अंत में, वह फट नहीं जाता।

कॉस्मिक किरणें (Cosmic rays) उच्च ऊर्जा के साथ अंतरिक्ष में यात्रा करने वाले कण हैं। 3.0×10^20 eV तक की ऊर्जा वाली घटनाओं को दर्ज किया गया है।[65] जब ये कण पृथ्वी के वायुमंडल में न्यूक्लियॉन से टकराते हैं, तो पायोन (pions) सहित कणों की एक बौछार उत्पन्न होती है। पृथ्वी की सतह से देखे जाने वाले कॉस्मिक विकिरण का आधे से अधिक हिस्सा म्यूऑन (muons) से बना होता है। म्यूऑन नामक कण एक लेप्टॉन है जो ऊपरी वायुमंडल में पायोन के क्षय से उत्पन्न होता है।

Pion- → Muon + Muon antineutrino

एक म्यूऑन, बदले में, क्षय होकर इलेक्ट्रॉन या पॉज़िट्रॉन बना सकता है।

Muon → Electron + Electron antineutrino + Muon neutrino

अवलोकन

[66] इलेक्ट्रॉनों के दूरस्थ अवलोकन के लिए उनकी विकिरणित ऊर्जा का पता लगाने की आवश्यकता होती है। उदाहरण के लिए, तारे के कोरोना जैसे उच्च-ऊर्जा वाले वातावरण में, मुक्त इलेक्ट्रॉन एक प्लाज्मा बनाते हैं जो ब्रेम्सस्ट्रालुंग (Bremsstrahlung) विकिरण के कारण ऊर्जा विकीर्ण करता है। इलेक्ट्रॉन गैस प्लाज्मा दोलन (plasma oscillation) से गुजर सकती है, जो इलेक्ट्रॉन घनत्व में सिंक्रनाइज़ विविधताओं के कारण उत्पन्न तरंगें हैं, और ये ऊर्जा उत्सर्जन उत्पन्न करती हैं जिन्हें रेडियो टेलीस्कोप का उपयोग करके पता लगाया जा सकता है।

एक फोटॉन की आवृत्ति (frequency) उसकी ऊर्जा के समानुपाती होती है। जैसे-जैसे एक बद्ध इलेक्ट्रॉन परमाणु के विभिन्न ऊर्जा स्तरों के बीच संक्रमण करता है, वह विशिष्ट आवृत्तियों पर फोटॉन को अवशोषित या उत्सर्जित करता है। उदाहरण के लिए, जब परमाणुओं को एक व्यापक स्पेक्ट्रम वाले स्रोत द्वारा विकिरणित किया जाता है, तो प्रेषित विकिरण के स्पेक्ट्रम में विशिष्ट काली रेखाएँ (dark lines) उन स्थानों पर दिखाई देती हैं जहाँ संबंधित आवृत्ति को परमाणु के इलेक्ट्रॉनों द्वारा अवशोषित किया जाता है। प्रत्येक तत्व या अणु विशिष्ट स्पेक्ट्रल रेखाओं का एक सेट प्रदर्शित करता है, जैसे कि हाइड्रोजन स्पेक्ट्रल श्रृंखला। जब पता लगाया जाता है, तो इन रेखाओं की ताकत और चौड़ाई के स्पेक्ट्रोस्कोपिक माप पदार्थ की संरचना और भौतिक गुणों को निर्धारित करने की अनुमति देते हैं।[67]

प्रयोगशाला की स्थितियों में, व्यक्तिगत इलेक्ट्रॉनों की अंतःक्रियाओं को कण डिटेक्टर (particle detector) के माध्यम से देखा जा सकता है, जो ऊर्जा, स्पिन और आवेश जैसे विशिष्ट गुणों के माप की अनुमति देते हैं।[68] पॉल ट्रैप और पेनिंग ट्रैप के विकास ने आवेशित कणों को लंबे समय तक एक छोटे क्षेत्र के भीतर रखने की अनुमति दी है। यह कण गुणों के सटीक माप को सक्षम बनाता है। उदाहरण के लिए, एक मामले में, 10 महीने की अवधि के लिए एक एकल इलेक्ट्रॉन को रोकने के लिए एक पेनिंग ट्रैप का उपयोग किया गया था। इलेक्ट्रॉन के चुंबकीय आघूर्ण (magnetic moment) को ग्यारह अंकों की सटीकता के साथ मापा गया था, जो 1980 में किसी भी अन्य भौतिक स्थिरांक की तुलना में अधिक सटीकता थी।

इलेक्ट्रॉन के ऊर्जा वितरण की पहली वीडियो छवियां फरवरी 2008 में स्वीडन के लुंड विश्वविद्यालय (Lund University) की एक टीम द्वारा कैप्चर की गई थीं। वैज्ञानिकों ने प्रकाश की अत्यंत छोटी चमक का उपयोग किया, जिसे एटोसेकंड (attosecond) पल्स कहा जाता है, जिसने पहली बार इलेक्ट्रॉन की गति को देखने की अनुमति दी।[69]

ठोस पदार्थों में इलेक्ट्रॉनों के वितरण को कोण-समाधान फोटोइमिशन स्पेक्ट्रोस्कोपी (ARPES) द्वारा देखा जा सकता है। यह तकनीक व्युत्क्रम जाली (reciprocal space)—आवधिक संरचनाओं का एक गणितीय प्रतिनिधित्व जिसका उपयोग मूल संरचना का अनुमान लगाने के लिए किया जाता है—को मापने के लिए फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव का उपयोग करती है। ARPES का उपयोग सामग्री के भीतर इलेक्ट्रॉनों की दिशा, गति और प्रकीर्णन को निर्धारित करने के लिए किया जा सकता है।[70]

प्लाज्मा अनुप्रयोग

कण पुंज (Particle beams)

[71]

इलेक्ट्रॉन पुंजों का उपयोग वेल्डिंग में किया जाता है।[72] ये ×10^7 W·cm−2 तक के ऊर्जा घनत्व को 0.1–1.3 mm के संकीर्ण फोकस व्यास पर प्रदान करते हैं और आमतौर पर इनमें किसी भराव सामग्री (filler material) की आवश्यकता नहीं होती है। यह वेल्डिंग तकनीक निर्वात (vacuum) में की जानी चाहिए ताकि इलेक्ट्रॉनों को अपने लक्ष्य तक पहुँचने से पहले गैस के साथ परस्पर क्रिया करने से रोका जा सके, और इसका उपयोग उन संवाहक सामग्रियों को जोड़ने के लिए किया जा सकता है जिन्हें अन्यथा वेल्डिंग के लिए अनुपयुक्त माना जाता है।

इलेक्ट्रॉन-बीम लिथोग्राफी (EBL) एक माइक्रोमीटर से कम रिज़ॉल्यूशन पर अर्धचालकों (semiconductors) को नक़्क़ाशी करने की एक विधि है।[73] यह तकनीक उच्च लागत, धीमी गति, पुंज को निर्वात में संचालित करने की आवश्यकता और ठोस पदार्थों में इलेक्ट्रॉनों के प्रकीर्णन (scattering) की प्रवृत्ति के कारण सीमित है। अंतिम समस्या रिज़ॉल्यूशन को लगभग 10 nm तक सीमित कर देती है। इस कारण से, EBL का उपयोग मुख्य रूप से कम संख्या में विशिष्ट एकीकृत परिपथ (integrated circuits) के उत्पादन के लिए किया जाता है।

इलेक्ट्रॉन बीम प्रोसेसिंग का उपयोग सामग्रियों के भौतिक गुणों को बदलने या चिकित्सा और खाद्य उत्पादों को कीटाणुरहित करने के लिए उन्हें विकिरणित करने हेतु किया जाता है।[74] गहन विकिरण पर इलेक्ट्रॉन पुंज तापमान में महत्वपूर्ण वृद्धि के बिना कांच को द्रवित या अर्ध-पिघला देते हैं: उदाहरण के लिए, गहन इलेक्ट्रॉन विकिरण चिपचिपाहट (viscosity) में कई गुना कमी और इसकी सक्रियण ऊर्जा में क्रमिक कमी का कारण बनता है।

रैखिक कण त्वरक (Linear particle accelerators) विकिरण चिकित्सा (radiation therapy) में सतही ट्यूमर के उपचार के लिए इलेक्ट्रॉन पुंज उत्पन्न करते हैं। इलेक्ट्रॉन थेरेपी बेसल-सेल कार्सिनोमा जैसे त्वचा के घावों का इलाज कर सकती है क्योंकि एक इलेक्ट्रॉन पुंज अवशोषित होने से पहले केवल एक सीमित गहराई तक ही प्रवेश करता है, जो आमतौर पर 5–20 MeV की इलेक्ट्रॉन ऊर्जा के लिए 5 cm तक होता है। इलेक्ट्रॉन पुंज का उपयोग उन क्षेत्रों के उपचार के पूरक के रूप में किया जा सकता है जिन्हें एक्स-रे द्वारा विकिरणित किया गया है।[75]

कण त्वरक (Particle accelerators) इलेक्ट्रॉनों और उनके प्रतिकणों (antiparticles) को उच्च ऊर्जा तक पहुँचाने के लिए विद्युत क्षेत्रों का उपयोग करते हैं। जब ये कण चुंबकीय क्षेत्रों से गुजरते हैं तो ये सिंक्रोट्रॉन विकिरण उत्सर्जित करते हैं। इस विकिरण की तीव्रता की स्पिन पर निर्भरता इलेक्ट्रॉन पुंज को ध्रुवीकृत (polarize) करती है – इस प्रक्रिया को सोकोलोव-टर्नोव प्रभाव (Sokolov–Ternov effect) के रूप में जाना जाता है।[note 7] ध्रुवीकृत इलेक्ट्रॉन पुंज विभिन्न प्रयोगों के लिए उपयोगी हो सकते हैं। सिंक्रोट्रॉन विकिरण कणों के संवेग प्रसार को कम करने के लिए इलेक्ट्रॉन पुंजों को ठंडा भी कर सकता है। इलेक्ट्रॉन और पॉज़िट्रॉन पुंजों को कणों के आवश्यक ऊर्जा तक त्वरित होने पर टकराया जाता है; कण संसूचक (particle detectors) परिणामी ऊर्जा उत्सर्जन का निरीक्षण करते हैं, जिसका अध्ययन कण भौतिकी (particle physics) में किया जाता है।[76]

इमेजिंग (Imaging)

निम्न-ऊर्जा इलेक्ट्रॉन विवर्तन (LEED) एक क्रिस्टलीय सामग्री पर इलेक्ट्रॉनों के एक कोलिमेटेड पुंज (collimated beam) की बमबारी करने और फिर सामग्री की संरचना निर्धारित करने के लिए परिणामी विवर्तन पैटर्न का निरीक्षण करने की एक विधि है। इलेक्ट्रॉनों की आवश्यक ऊर्जा आमतौर पर 20 ± – eV की सीमा में होती है।[77] परावर्तन उच्च-ऊर्जा इलेक्ट्रॉन विवर्तन (RHEED) तकनीक क्रिस्टलीय सामग्रियों की सतह को चिह्नित करने के लिए विभिन्न निम्न कोणों पर दागे गए इलेक्ट्रॉन पुंज के परावर्तन का उपयोग करती है। पुंज ऊर्जा आमतौर पर 8 ± – keV की सीमा में होती है और आपतन कोण 1 ± – ° होता है।

इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शी (electron microscope) इलेक्ट्रॉनों के एक केंद्रित पुंज को एक नमूने पर निर्देशित करता है। जैसे ही पुंज सामग्री के साथ परस्पर क्रिया करता है, कुछ इलेक्ट्रॉन अपने गुणों को बदल लेते हैं, जैसे कि गति की दिशा, कोण, और सापेक्ष चरण (phase) और ऊर्जा। सूक्ष्मदर्शी विशेषज्ञ सामग्री की परमाणु-स्तर पर हल की गई (atomically resolved) छवियां बनाने के लिए इलेक्ट्रॉन पुंज में इन परिवर्तनों को रिकॉर्ड कर सकते हैं।[78] नीले प्रकाश में, पारंपरिक ऑप्टिकल सूक्ष्मदर्शी का विवर्तन-सीमित रिज़ॉल्यूशन लगभग 200 nm होता है। इसकी तुलना में, इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शी इलेक्ट्रॉन की डी ब्रोग्ली तरंगदैर्ध्य (de Broglie wavelength) द्वारा सीमित होते हैं। यह तरंगदैर्ध्य, उदाहरण के लिए, 100,000 V विभव पर त्वरित इलेक्ट्रॉनों के लिए 0.0037 nm के बराबर है। ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन एबरेशन-करेक्टेड माइक्रोस्कोप 0.05 nm से कम रिज़ॉल्यूशन में सक्षम है, जो व्यक्तिगत परमाणुओं को हल करने के लिए पर्याप्त से अधिक है। यह क्षमता इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शी को उच्च रिज़ॉल्यूशन इमेजिंग के लिए एक उपयोगी प्रयोगशाला उपकरण बनाती है। हालाँकि, इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शी महंगे उपकरण हैं जिन्हें बनाए रखना खर्चीला है।

इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शी के दो मुख्य प्रकार मौजूद हैं: ट्रांसमिशन और स्कैनिंग। ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शी ओवरहेड प्रोजेक्टर की तरह कार्य करते हैं, जिसमें इलेक्ट्रॉन पुंज सामग्री के एक टुकड़े से गुजरता है और फिर लेंस द्वारा फोटोग्राफिक स्लाइड या चार्ज-कपल्ड डिवाइस पर प्रक्षेपित किया जाता है। स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शी छवि बनाने के लिए अध्ययन किए गए नमूने पर, टीवी सेट की तरह, एक बारीक केंद्रित इलेक्ट्रॉन पुंज को रास्टर स्कैन करते हैं। दोनों प्रकार के सूक्ष्मदर्शी के लिए आवर्धन (magnifications) 100× से 1,000,000× या उससे अधिक तक होता है। स्कैनिंग टनलिंग माइक्रोस्कोप एक तेज धातु की नोक से अध्ययन की जा रही सामग्री में इलेक्ट्रॉनों की क्वांटम टनलिंग का उपयोग करता है और इसकी सतह की परमाणु-स्तर पर हल की गई छवियां उत्पन्न कर सकता है।[79]

अन्य अनुप्रयोग

फ्री-इलेक्ट्रॉन लेज़र (FEL) में, एक सापेक्षतावादी इलेक्ट्रॉन पुंज (relativistic electron beam) अनडुलेटर (undulators) की एक जोड़ी से गुजरता है जिसमें द्विध्रुवीय चुंबक (dipole magnets) की सरणियाँ होती हैं जिनके क्षेत्र वैकल्पिक दिशाओं में इंगित करते हैं। इलेक्ट्रॉन सिंक्रोट्रॉन विकिरण उत्सर्जित करते हैं जो अनुनाद (resonance) आवृत्ति पर विकिरण क्षेत्र को मजबूती से प्रवर्धित करने के लिए उन्हीं इलेक्ट्रॉनों के साथ सुसंगत रूप से (coherently) परस्पर क्रिया करता है। FEL माइक्रोवेव से लेकर सॉफ्ट एक्स-रे तक, आवृत्तियों की एक विस्तृत श्रृंखला के साथ एक सुसंगत उच्च-चमक (high-brilliance) वाला विद्युत चुम्बकीय विकिरण उत्सर्जित कर सकता है। इन उपकरणों का उपयोग विनिर्माण, संचार और चिकित्सा अनुप्रयोगों, जैसे कि सॉफ्ट टिश्यू सर्जरी में किया जाता है।[80]

इलेक्ट्रॉन कैथोड-रे ट्यूब में महत्वपूर्ण होते हैं, जिनका उपयोग प्रयोगशाला उपकरणों, कंप्यूटर मॉनिटर और टेलीविजन सेट में डिस्प्ले उपकरणों के रूप में व्यापक रूप से किया गया है।[81] एक फोटोमल्टीप्लायर ट्यूब में, फोटोकैथोड से टकराने वाला प्रत्येक फोटॉन इलेक्ट्रॉनों की एक ऐसी बौछार शुरू करता है जो एक पता लगाने योग्य विद्युत धारा पल्स उत्पन्न करती है। वैक्यूम ट्यूब विद्युत संकेतों में हेरफेर करने के लिए इलेक्ट्रॉनों के प्रवाह का उपयोग करती हैं, और उन्होंने इलेक्ट्रॉनिक्स प्रौद्योगिकी के विकास में महत्वपूर्ण भूमिका निभाई है। हालाँकि, उन्हें काफी हद तक ट्रांजिस्टर जैसे सॉलिड-स्टेट उपकरणों द्वारा प्रतिस्थापित कर दिया गया है।

इन्हें भी देखें

नोट्स

  1. ↑ पॉज़िट्रॉन को कभी-कभी 'प्रति-इलेक्ट्रॉन' भी कहा जाता है।
  2. ↑ भिन्नात्मक संस्करण का हर दशमलव मान का व्युत्क्रम है (इसके सापेक्ष मानक अनिश्चितता 2.9×10^-11 के साथ)।
  3. ↑ पुराने स्रोत द्रव्यमान-से-आवेश अनुपात के बजाय आवेश-से-द्रव्यमान अनुपात को सूचीबद्ध करते हैं।
  4. ↑ बोर मैग्नेटोन:
    <math>\textstyle\mu_{\mathrm{B
  5. ↑ गैर-सापेक्षतावादी इलेक्ट्रॉनों से विकिरण को कभी-कभी साइक्लोट्रॉन विकिरण कहा जाता है।
  6. ↑ तरंगदैर्ध्य में परिवर्तन, Δλ, प्रतिक्षेप के कोण, θ, पर इस प्रकार निर्भर करता है,
    <math>\textstyle \Delta \lambda = \frac{h}{m_{\mathrm{e
  7. ↑ इलेक्ट्रॉन पुंज के ध्रुवीकरण का अर्थ है कि सभी इलेक्ट्रॉनों की स्पिन एक दिशा में इंगित करती है। दूसरे शब्दों में, सभी इलेक्ट्रॉनों की स्पिन का उनके संवेग वेक्टर पर प्रक्षेपण समान चिह्न का होता है।

संदर्भ

  1. ↑ 1.0 1.1 (1983). "New Tests for Quark and Lepton Substructure". Physical Review Letters. 50 (11) 811–814. doi:10.1103/PhysRevLett.50.811.
  2. ↑ 2.0 2.1 Curtis, L.J.. (2003). Atomic Structure and Lifetimes: A conceptual approach. 74. Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-53635-6.
  3. ↑ Anastopoulos, C.. (2008). Particle Or Wave: The Evolution of the Concept of Matter in Modern Physics. 236–237. Princeton University Press. ISBN 978-0-691-13512-0.
  4. ↑ Pauling, L.C.. (1960). The Nature of the Chemical Bond and the Structure of Molecules and Crystals: an introduction to modern structural chemistry. 4–10. Cornell University Press. ISBN 978-0-8014-0333-0.
  5. ↑ Shipley, J.T.. (1945). Dictionary of Word Origins. 133. The Philosophical Library. ISBN 978-0-88029-751-6.
  6. ↑ Benjamin, Park. (1898). A history of electricity (The intellectual rise in electricity) from antiquity to the days of Benjamin Franklin. 315, 484–5. J. Wiley. ISBN 978-1-313-10605-4.
  7. ↑ Farrar, W.V.. (1969). "Richard Laming and the Coal-Gas Industry, with His Views on the Structure of Matter". Annals of Science. 25 (3) 243–254. doi:10.1080/00033796900200141.
  8. ↑ Okamura, Sōgo. (1994). History of Electron Tubes. 11. IOS Press. ISBN 978-90-5199-145-1.
  9. ↑ (1989). Atomic Physics. 26. Courier Dover. ISBN 978-0-486-65984-8.
  10. ↑ Plücker, M.. (1858-12-01). "XLVI. Observations on the electrical discharge through rarefied gases". The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science. 16 (109) 408–418. doi:10.1080/14786445808642591.
  11. ↑ Leicester, H.M.. (1971). The Historical Background of Chemistry. 221–222. Courier Dover. ISBN 978-0-486-61053-5.
  12. ↑ DeKosky, R.K.. (1983). "William Crookes and the quest for absolute vacuum in the 1870s". Annals of Science. 40 (1) 1–18. doi:10.1080/00033798300200101.
  13. ↑ Thomson, George. (1970). "An Unfortunate Experiment: Hertz and the Nature of Cathode Rays". Notes and Records of the Royal Society of London. 25 (2) 237–242. doi:10.1098/rsnr.1970.0032.
  14. ↑ Schuster, Arthur. (1890). "The discharge of electricity through gases". Proceedings of the Royal Society of London. 47 526–559. doi:10.1098/rspl.1889.0111.
  15. ↑ Wilczek, Frank. (June 2012). Happy birthday, electron. Scientific American.
  16. ↑ Trenn, T.J.. (1976). "Rutherford on the Alpha-Beta-Gamma Classification of Radioactive Rays". Isis. 67 (1) 61–75. doi:10.1086/351545.
  17. ↑ 17.0 17.1 Thomson, J.J.. (1897). Cathode Rays. Philosophical Magazine. 44 (269) 293–316. doi:10.1080/14786449708621070.
  18. ↑ O'Hara, J. G.. (March 1975). "George Johnstone Stoney, F.R.S., and the Concept of the Electron". Notes and Records of the Royal Society of London. 29 (2) 265–276. doi:10.1098/rsnr.1975.0018.
  19. ↑ (1999). "A Report on the Wilson Cloud Chamber and Its Applications in Physics". Reviews of Modern Physics. 18 (2) 225–290. doi:10.1103/RevModPhys.18.225.
  20. ↑ Smirnov, B.M.. (2003). Physics of Atoms and Ions. 14–21. Springer. ISBN 978-0-387-95550-6.
  21. ↑ Lewis, G.N.. (1916). The Atom and the Molecule. Journal of the American Chemical Society. 38 (4) 762–786. doi:10.1021/ja02261a002.
  22. ↑ Massimi, M.. (2005). Pauli's Exclusion Principle, The Origin and Validation of a Scientific Principle. 7–8. Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-83911-2.
  23. ↑ de Broglie, L.. (1929). Nobel Lecture: The Wave Nature of the Electron. The Nobel Foundation.
  24. ↑ Schrödinger, E.. (1926). "Quantisierung als Eigenwertproblem". Annalen der Physik. 385 (13) 437–490. doi:10.1002/andp.19263851302.
  25. ↑ Dirac, P.A.M.. (1928). The Quantum Theory of the Electron. Proceedings of the Royal Society A. 117 (778) 610–624. doi:10.1098/rspa.1928.0023.
  26. ↑ The Nobel Prize in Physics 1965. The Nobel Foundation.
  27. ↑ Panofsky, W.K.H.. (1997). The Evolution of Particle Accelerators & Colliders. Beam Line. 27 (1) 36–44.
  28. ↑ Hoddeson, L.. (1997). The Rise of the Standard Model: Particle Physics in the 1960s and 1970s. 25–26. Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-57816-5.
  29. ↑ (2012). "Few electron limit of n-type metal oxide semiconductor single electron transistors". Nanotechnology. 23 (21). doi:10.1088/0957-4484/23/21/215204.
  30. ↑ (2000). "Quarks and Leptons Beyond the Third Generation". Physics Reports. 330 (5–6) 263–348. doi:10.1016/S0370-1573(99)00095-2.
  31. ↑ CODATA value: proton-electron mass ratio. 2006 CODATA recommended values.
  32. ↑ 32.0 32.1 CODATA के लिए मूल स्रोत है (2008). "CODATA recommended values of the fundamental physical constants". Reviews of Modern Physics. 80 (2) 633–730. doi:10.1103/RevModPhys.80.633.
    CODATA से व्यक्तिगत भौतिक स्थिरांक यहाँ उपलब्ध हैं:
    The NIST Reference on Constants, Units and Uncertainty. National Institute of Standards and Technology.
  33. ↑ (2001). "Constituents of Matter: Atoms, Molecules, Nuclei and Particles". 777–781. CRC Press. ISBN 978-0-8493-1202-1.
  34. ↑ (2005). The Physics of Atoms and Quanta: Introduction to Experiments and Theory. 70. Springer. ISBN 978-3-540-67274-6.
  35. ↑ (1995-12-01). "The Foldy–Wouthuysen transformation". American Journal of Physics. 63 (12) 1119–1121. doi:10.1119/1.18017.
  36. ↑ (2015). "Test of electric charge conservation with Borexino". Physical Review Letters. 115 (23). doi:10.1103/PhysRevLett.115.231802.
  37. ↑ 37.0 37.1 37.2 Munowitz, M.. (2005). Knowing the Nature of Physical Law. 162. Oxford University Press. ISBN 978-0-19-516737-5.
  38. ↑ Kane, G.. (October 9, 2006). Are virtual particles really constantly popping in and out of existence? Or are they merely a mathematical bookkeeping device for quantum mechanics?. Scientific American.
  39. ↑ Genz, H.. (2001). "Nothingness: The Science of Empty Space". 241–243, 245–247. Da Capo Press. ISBN 978-0-7382-0610-3.
  40. ↑ (2006). "New Measurement of the Electron Magnetic Moment Using a One-Electron Quantum Cyclotron". Physical Review Letters. 97 (3). doi:10.1103/PhysRevLett.97.030801.
  41. ↑ (1950). "On the Dirac Theory of Spin 1/2 Particles and Its Non-Relativistic Limit". Physical Review. 78 (1) 29–36. doi:10.1103/PhysRev.78.29.
  42. ↑ Griffiths, David J.. (1998). Introduction to Electrodynamics. Prentice Hall. ISBN 978-0-13-805326-0.
  43. ↑ (1996). "Harmony in Electrons: Cyclotron and Synchrotron Emission by Thermal Electrons in a Magnetic Field". The Astrophysical Journal. 465 327–337. doi:10.1086/177422.
  44. ↑ Georgi, H.. (1989). The New Physics. 427. Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-43831-5.
  45. ↑ Zombeck, M.V.. (2007). Handbook of Space Astronomy and Astrophysics. 14. Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-78242-5.
  46. ↑ (1942). "The Angular Distribution of Positron Annihilation Radiation". Physical Review. 61 (5–6) 222–224. doi:10.1103/PhysRev.61.222.
  47. ↑ Quigg, C.. (4–30 June 2000). "The Electroweak Theory". 80.
  48. ↑ (2003). "Modern Physics". Macmillan. ISBN 978-0-7167-4345-3.
  49. ↑ Jiles, D.. (1998). Introduction to Magnetism and Magnetic Materials. 280–287. CRC Press. ISBN 978-0-412-79860-3.
  50. ↑ (2003). Fundamental World of Quantum Chemistry: A Tribute to the Memory of Per-Olov Löwdin. 393–394. Springer Science+Business Media. ISBN 978-1-4020-1290-7.
  51. ↑ (2007). Lightning: Physics and Effects. 4. Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-03541-5.
  52. ↑ Lou, L.-F.. (2003). Introduction to phonons and electrons. 162, 164. World Scientific. ISBN 978-981-238-461-4.
  53. ↑ (2007). Fundamentals of Semiconductor Devices. 49–67. Tata McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-061220-4.
  54. ↑ Main, P.. (June 12, 1993). When electrons go with the flow: Remove the obstacles that create electrical resistance, and you get ballistic electrons and a quantum surprise. New Scientist. 1887 30.
  55. ↑ Ziman, J.M.. (2001). Electrons and Phonons: The Theory of Transport Phenomena in Solids. 260. Oxford University Press. ISBN 978-0-19-850779-6.
  56. ↑ (2008). The Nobel Prize in Physics 1972. The Nobel Foundation.
  57. ↑ (July 31, 2009). Discovery about behavior of building block of nature could lead to computer revolution. ScienceDaily.
  58. ↑ (2008). The Nobel Prize in Physics 1958, for the discovery and the interpretation of the Cherenkov effect. The Nobel Foundation.
  59. ↑ (August 26, 2008). Special Relativity. Stanford Linear Accelerator Center.
  60. ↑ (2017). Selected Exercises in Particle and Nuclear Physics. 79. Springer. ISBN 978-3-319-70494-4.
  61. ↑ Lurquin, P.F.. (2003). The Origins of Life and the Universe. 2. Columbia University Press. ISBN 978-0-231-12655-7.
  62. ↑ (1980). The Development of Baryon Asymmetry in the Early Universe. Physics Letters B. 91 (2) 217–221. doi:10.1016/0370-2693(80)90435-9.
  63. ↑ Barkana, R.. (2006). "The First Stars in the Universe and Cosmic Reionization". Science. 313 (5789) 931–934. doi:10.1126/science.1125644.
  64. ↑ (2000). "Hawking Radiation As Tunneling". Physical Review Letters. 85 (24) 5042–5045. doi:10.1103/PhysRevLett.85.5042.
  65. ↑ (2002). "High-energy neutrino astronomy: the cosmic ray connection". Reports on Progress in Physics. 66 (7) 1025–1078. doi:10.1088/0034-4885/65/7/201.
  66. ↑ Wolpert, S.. (July 24, 2008). Scientists solve 30 year-old aurora borealis mystery. University of California.
  67. ↑ (2007). Atomic Spectroscopy: A compendium of basic ideas, notation, data, and formulas. National Institute of Standards and Technology.
  68. ↑ Grupen, C.. (2000). "Physics of Particle Detection". AIP Conference Proceedings. 536 3–34. doi:10.1063/1.1361756.
  69. ↑ Mauritsson, J.. Electron filmed for the first time ever. Lund University.
  70. ↑ Damascelli, A.. (2004). "Probing the Electronic Structure of Complex Systems by ARPES". Physica Scripta. T109 61–74. doi:10.1238/Physica.Topical.109a00061.
  71. ↑ (April 4, 1975). Image # L-1975-02972. NASA.
  72. ↑ Elmer, J.. (March 3, 2008). Standardizing the Art of Electron-Beam Welding. Lawrence Livermore National Laboratory.
  73. ↑ Ozdemir, F.S.. (June 25–27, 1979). Electron beam lithography. 383–391. IEEE Press.
  74. ↑ (2–5 May 1996). "[no title cited]". American Physical Society.
  75. ↑ (2001). "Mobile linear accelerators for intraoperative radiation therapy". AORN Journal. 74 (5) 700–705. doi:10.1016/S0001-2092(06)61769-9.
  76. ↑ (1999). Handbook of Accelerator Physics and Engineering. 155, 188. World Scientific. ISBN 978-981-02-3500-0.
  77. ↑ Oura, K.. (2003). "Surface Science: An Introduction". 1–45. Springer Science+Business Media. ISBN 978-3-540-00545-2.
  78. ↑ McMullan, D.. (1993). Scanning Electron Microscopy: 1928–1965. University of Cambridge.
  79. ↑ (1999). Electron Microscopy: Principles and Techniques for Biologists. 12, 197–199. Jones & Bartlett Publishers. ISBN 978-0-7637-0192-5.
  80. ↑ (1996). Principles of Free-Electron Lasers. 1–30. Springer. ISBN 978-0-412-72540-1.
  81. ↑ Kitzmiller, J.W.. (1995). "Television Picture Tubes and Other Cathode-Ray Tubes: Industry and Trade Summary". 3–5. Diane Publishing. ISBN 978-0-7881-2100-5.

स्रोत: अंग्रेज़ी विकिपीडिया के “Electron” लेख का अनुवाद। मूल लेख: https://en.wikipedia.org/wiki/Electron यह अनुवाद स्वचालित रूप से तैयार किया गया है।

Retrieved from "https://ltrc.sciwiki.in/index.php?title=इलेक्ट्रॉन&oldid=4334"