L’elettrone è una particella subatomica con carica negativa che è un componente importante degli atomi che costituiscono la materia ordinaria. L’elettrone è fondamentale, nel senso che non si crede che sia composto da costituenti più piccoli. La dimensione della carica dell’elettrone è stata considerata per molti anni l’unità fondamentale della carica trovata in natura. Si credeva che tutte le cariche elettriche fossero multipli integrali di questa carica. Recentemente, tuttavia, sono state trovate molte prove che indicano che le particelle classificate come mesoni e barioni sono costituite da oggetti chiamati quark, che hanno cariche di 2/3 o 1/3 della carica dell’elettrone. Per esempio, i neutroni e i protoni, che compongono i nuclei degli atomi, sono barioni. Tuttavia, gli scienziati non sono mai stati in grado di osservare un quark isolato, quindi per tutti gli scopi pratici la carica dell’elettrone può ancora essere considerata l’unità fondamentale di carica trovata in natura. La grandezza di questa carica, di solito indicata con e, è stata misurata in modo molto preciso ed è 1,602177 × 10-19 coulombs. La massa dell’elettrone è piccola anche per gli standard atomici e ha il valore di 9,109389 × 10-31 kg (0,5110 M V/c2 e , essendo solo circa 1/1836 della massa del protone.
Tutti gli atomi che si trovano in natura hanno un nucleo carico positivamente attorno al quale si muovono gli elettroni carichi negativamente. L’atomo è elettricamente neutro e quindi la carica elettrica positiva sul nucleo ha la stessa grandezza della carica negativa dovuta a tutti gli elettroni. Gli elettroni sono trattenuti nell’atomo dalla forza di attrazione esercitata su di loro dal nucleo con carica positiva. Si muovono molto rapidamente intorno al nucleo in orbite che hanno energie molto definite, formando una specie di nuvola di elettroni intorno ad esso. Alcuni degli elettroni in un tipico atomo possono essere abbastanza vicini al nucleo, mentre altri possono trovarsi a distanze che sono molte migliaia di volte più grandi del diametro del nucleo. Così, la nuvola di elettroni determinaFigura 1. Illustrazione di Hans & Cassidy. Per gentile concessione del Gale Group. la dimensione dell’atomo. Sono gli elettroni più esterni che determinano il comportamento chimico dei vari elementi. La dimensione e la forma delle nuvole di elettroni intorno agli atomi può essere spiegata solo utilizzando un campo della fisica chiamato meccanica quantistica.
Nei metalli, alcuni degli elettroni non sono strettamente legati agli atomi e sono liberi di muoversi nel metallo sotto l’influenza di un campo elettrico. È questa situazione che spiega il fatto che la maggior parte dei metalli sono buoni conduttori di elettricità e di calore.
La teoria quantistica spiega anche molte altre proprietà piuttosto strane degli elettroni. Gli elettroni si comportano come se girassero, e il valore del momento angolare associato a questo spin è fisso; quindi non è sorprendente che gli elettroni si comportino anche come piccoli magneti. Il modo in cui gli elettroni sono disposti in alcuni materiali, come il ferro, fa sì che questi materiali siano magnetici. L’esistenza del positrone, l’antiparticella dell’elettrone, fu prevista dal fisico francese Paul Dirac nel 1930. Per prevedere questa antiparticella, usò una versione della meccanica quantistica che includeva gli effetti della teoria della relatività. La carica del positrone ha la stessa grandezza di quella dell’elettrone, ma è positiva. La previsione di Dirac fu verificata due anni dopo, quando il positrone fu osservato sperimentalmente da Carl Anderson in una camera a nubi usata per la ricerca sui raggi cosmici. Il positrone non esiste per molto tempo in presenza di materia ordinaria perché entra presto in contatto con un elettrone ordinario e le due particelle si annichilano, producendo un raggio gamma con un’energia pari all’equivalente energetico delle due masse di elettroni, secondo la famosa equazione di Einstein E = mc2.