Los electrones son partículas elementales de la materia. Esto significa que no se descomponen en otras partículas.

Los electrones son fundamentales en el modelo actual de la materia

Según el actual modelo estándar de la materia, toda la materia que vemos en el universo se compone de cuatro partículas elementales: electrones, quarks up, quarks down y neutrinos.

El electrón fue descubierto por Joseph John Thomson en 1897 en el Laboratorio Cavendish de la Universidad de Cambridge, mientras estudiaba el comportamiento de los rayos catódicos.

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Joseph John Thomson. Crédito: Wikipedia

Thomson comprobó que en el tubo de rayos catódicos existían unas partículas con carga negativa: los denominó corpúsculos.

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Electron tubo de rayos catódicos. Crédito: web es.khanacademy.org

En 1891, el físico irlandés George Stoney (1826-1911) había propuesto la existencia de estas partículas, pero no había podido comprobarla. Como asumía que la partícula tenía carga eléctrica, la denominó electrón.

Además de confirmar la existencia del electrón era necesario medir sus propiedades, en particular su carga eléctrica. Este objetivo fue alcanzado por el físico estadounidense, de origen escocés, Robert Millikan (1868-1953) con un célebre experimento llamado “de la gota de aceite”, realizado en 1909.

Imaginar al electrón como una “partícula”, es una forma de hacer más fácil la comprensión. Pero hay que saber que no es como una pequeña esfera. En realidad la materia real es algo muy distinto a lo que vemos. En la mecánica clásica, se calcula que el radio del electrón es 2,8179 × 10−15 m. Este es un concepto desfasado, pero resulta útil para algunos cálculos.

La masa del electrón es muy pequeña: 0,0005 GeV. La masa de un protón es 1.800 veces mayor. Tanto el electrón, como el muón y el tauón son los elementos con menos masa en las correspondientes familias. Por tal motivo, a estas tres partículas se las denomina leptones (en griego, leptón significa ligero).

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Electrón significa ligero. Crédito: Wikipedia

El espín del electrón es ½ . Cuando el espín de una partícula es semi-entero, se la clasifica como perteneciente al grupo denominado fermiones.

La carga eléctrica de un electrón puede medirse directamente con un electrómetro, dando como resultado una carga eléctrica negativa de −1,6 × 10−19 coulombs; y la corriente generada por su movimiento, con un galvanómetro.

Se ha demostrado experimentalmente que la masa de un electrón es  9,1 × 10−31 kg. Actualmente se prefiere utilizar como unidad de masa el gigalectrónvoltio y se dice que la masa del electrón es 0,0005 GeV.

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Espín  electrón Crédito: web qstudy.com/physics

En el modelo físico de la mecánica cuántica, el electrón es una partícula puntual y no tiene volumen. Pero no hay ningún problema para que se le asigne un momento angular (una rotación).

Podemos pensar en que el electrón es como una bolita que gira sobre sí misma. Este momento angular se denomina espín y está cuantizado; es decir, que no puede tener cualquier valor, sino múltiplos de una cantidad mínima, que es 1/2 de la constante reducida de Planck.

El electrón, al igual que todas las partículas elementales (cuatro en cada una de la tres familias), tiene espín de valor 1/2. A las partículas que tienen espín 1/2 , se las denomina fermiones, en honor del físico italiano Enrico Fermi (1901-1954).

Es interesante saber que, en todos los astros, por cada protón hay un electrón. Esto hace que todos los astros sean neutros eléctricamente: el número de cargas positivas es exactamente igual al número de cargas negativas.

Aunque parezca increíble, si así no fuera, la fuerza de gravedad sería insuficiente para asegurar la cohesión de la materia del astro y éste explotaría.

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Enrico Fermi (1901-1954). Crédito: Wikipedia

Los electrones, los quarks up, los quarks down y los neutrinos son las únicas partículas estables en el universo. Las otras partículas tienen existencia efímera duran fracciones de segundo.

Los electrones no se ven afectados por la interacción nuclear fuerte. A eso se debe que , aunque la mayoría de los electrones se encuentran formando parte de los átomos, los hay que se desplazan independientemente por la materia o que forman un haz en el vacío.

Los científicos calculan que el número de electrones existentes en el universo conocido es de al menos 1079.

Prácticamente ningún electrón nuevo ha aparecido después de la nucleosíntesis primordial, cuando la temperatura del universo bajó a 10.000 millones de grados.

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Impresionante imagen de un relámpago. Crédito: web eluniverso.com/noticias  11 octubre 2018.

Los electrones son un elemento clave en el electromagnetismo, una teoría que es adecuada desde un punto de vista clásico, aplicable a sistemas macroscópicos.

La corriente eléctrica que suministra energía a nuestros hogares está originada por electrones en movimiento. El tubo de rayos catódicos de un televisor se basa en un haz de electrones en el vacío desviado mediante campos magnéticos que impacta en una pantalla fluorescente.

El microscopio electrónico, que utiliza haces de electrones en lugar de fotones, permite ampliar hasta 500.000 veces los objetos. Los efectos cuánticos del electrón son la base del microscopio de efecto túnel, que permite estudiar la materia a escala atómica.

Cuando los electrones que no forman parte de la estructura del átomo se desplazan en una dirección, forman una corriente eléctrica.

Tal es el caso de los electrones que circulan por el filamento de una bombilla. El roce producido por el veloz paso de los electrones hace que el filamento se caliente y emita luz.

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Bombilla encendida. Crédito: web astrojem.com

En la mecánica cuántica, el electrón es descrito por la ecuación de Dirac, mientras que el comportamiento colectivo de los electrones viene descrito por la estadística de Fermi-Dirac.

En el modelo estándar de la física de partículas forma un doblete con el neutrino, dado que ambos interaccionan de forma débil.

El equivalente al electrón en la antimateria, es el positrón. El positrón tiene la misma cantidad de carga eléctrica que el electrón, pero positiva. El espín y la masa son iguales en el electrón y el positrón. Cuando un electrón y un positrón colisionan, se aniquilan mutuamente y se originan dos fotones con una energía de 0,500 MeV cada uno.