Elettrone

2025-06-19T13:12:58Z

93.147.230.143: spin in infobox

{{Infobox particella
|nome = Elettrone
|immagine =Cyclotron motion wider view.jpg
|didascalia = Bagliore circolare generato per [[fluorescenza]] dall'interazione di un gas con un fascio di elettroni deflesso in traiettoria circolare da un campo magnetico<ref>{{cita libro | cognome = Born | nome = M. | coautori = R.J. Blin-Stoyle; J.M. Radcliffe | anno = 1989 | titolo = Atomic Physics | url = http://books.google.com/?id=NmM-KujxMtoC&pg=PA26 | pagine = 26 | editore = [[Courier Dover]] | isbn = 0-486-65984-4}}</ref>
|composizione =
|famiglia = [[Fermioni]]
|gruppo = [[Leptoni]]
|generazione = Prima
|interazione = [[gravità|Gravitazionale]], [[Interazione elettromagnetica|elettromagnetica]], [[Interazione debole|debole]]
|antiparticella = [[Positrone]] ({{Particella subatomica|Positrone}})
|teorizzata = [[Richard Laming]] (1838-1851)
[[George Johnstone Stoney|G. Johnstone Stoney]] (1874)
|scoperta = [[J.J. Thomson]] (1897)
|simbolo = {{Particella subatomica|Elettrone}}
|massa =
* {{Val|9,1093837015e-31|(28)|ul=kg}}<ref>{{Cita web|url=https://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?me|titolo=Electron mass|editore=[[National Institute of Standards and Technology|NIST]]|accesso=3 luglio 2019}}. La versione frazionaria è l'inverso del valore decimale (con un'incertezza di {{Val|4,4e-10}})</ref>
* {{Val|5,48579909065e-4|(16)|ul=u}}<ref>[https://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?meu]</ref>
* {{TA|{{Frazione|1|{{Val|1822,888486208|(53)}}}} u}}
* {{Val|0,51099895000|(15)|ul=MeV/c2}}<ref>https://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?mec2mev</ref>
| carica_elettrica = -1 [[carica elementare|e]] -{{Val|1,602176634e-19|ul=C}}<ref>La carica dell'elettrone è il negativo della [[carica elementare]] (che è la carica positiva del protone). Valore del [[Committee on Data for Science and Technology|CODATA]] accessibili tramite il NIST alla pagina [http://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?e ''carica elementare'']</ref>
| spin = ½''ħ''<ref>{{en}} [http://goldbook.iupac.org/E01975.html IUPAC Gold Book, "electron"]</ref>
|colore=No
|vita_media=Stabile
|classificazione=[[Particella elementare]]
}}
L{{'}}'''elettrone''' è una [[particella subatomica]] con [[carica elettrica]] negativa che si ritiene essere una [[particella elementare]].<ref name="prl50">{{cita|Eichten e Peskin|pp. 811-814|prl50}}.</ref>

Insieme ai [[protone|protoni]] e ai [[neutrone|neutroni]], è un componente dell'[[atomo]] e, sebbene contribuisca alla sua massa totale per meno dello 0,06%, ne caratterizza sensibilmente la natura e ne determina le [[Proprietà chimica|proprietà chimiche]]: il [[legame chimico]] [[legame covalente|covalente]] si forma in seguito alla redistribuzione della [[densità elettronica]] tra due o più atomi.<ref name="Pauling">{{cita|Pauling|pp. 4-10|Pauling}}.</ref> Il moto dell'elettrone genera un [[campo magnetico]], mentre la variazione della sua energia e della sua [[accelerazione]] causano l'emissione di [[fotoni]]; è inoltre responsabile della [[conduzione elettrica|conduzione]] della [[corrente elettrica]] e del [[conducibilità termica|calore]].

La maggior parte degli elettroni presenti nell'[[universo]] è stata prodotta dal [[Big Bang]], ma possono essere generati anche dal [[decadimento beta]] degli [[Radionuclide|isotopi radioattivi]] e in collisioni ad alta energia, mentre possono essere [[Annichilazione|annichilati]] dalla collisione con i [[Positrone|positroni]] o assorbiti in un processo di [[nucleosintesi stellare]]. L'avvento dell'[[elettronica]] e il relativo sviluppo dell'[[informatica]] hanno reso l'elettrone protagonista dello sviluppo tecnologico del [[ventesimo secolo]]. Le sue proprietà vengono sfruttate in svariate applicazioni, come i [[Tubo a raggi catodici|tubi a raggi catodici]], i [[Microscopio elettronico|microscopi elettronici]], la [[radioterapia]] e il [[laser]].

== Storia ==

=== Origine del termine ===
[[File:Opfindelsernes bog2 fig281.png|thumb|left|Attrazione di corpuscoli leggeri da parte di un oggetto elettrizzato per strofinio.]]
I termini "elettricità, "elettrico" derivano dalla parola [[Lingua greca antica|greca]] ''ἤλεκτρον'' (pronuncia ''èlectron''), il cui significato è [[Ambra (resina)|ambra]],<ref>{{Cita libro|autore=Lorenzo Rocci|titolo=Vocabolario Greco Italiano|edizione=37|anno=1993|editore=Società editrice Dante Alighieri|p=850}}</ref> una resina lucente, ma stava a indicare anche una [[Lega (metallurgia)|lega]], o [[amalgama]], di [[oro]] e [[argento]].<ref>{{Cita web|url=https://www.grecoantico.com/dizionario-greco-antico.php?parola=%CE%AE%CE%BB%CE%B5%CE%BA%CF%84%CF%81%CE%BF%CE%BD|titolo=DIZIONARIO GRECO ANTICO - Greco antico - Italiano|sito=www.grecoantico.com|accesso=2024-03-13}}</ref><ref>{{Cita libro|autore=Giuseppe Rigutini|titolo=Vocabolario Greco-Italiano e Italiano-Greco|ed=13|anno=1925|editore=G. Barbera|città=Firenze|p=375}}</ref> Tale nome è storicamente dovuto al fatto che l'ambra ebbe un ruolo fondamentale nella scoperta dei fenomeni elettrici: in particolare a partire dal [[VII secolo a.C.]] gli [[antichi Greci]] erano a conoscenza del fatto che strofinando un oggetto di ambra con un panno di lana, l'oggetto in questione acquisiva la capacità di attirare a sé corpuscoli leggeri, quali ad esempio granelli di polvere.

Questa proprietà che si manifestava e il bagliore del fulmine furono i primi contatti a quei tempi con i fenomeni dovuti all'elettricità.<ref>{{Cita libro|nome=Joseph T. (Joseph Twadell)|cognome=Shipley|titolo=Dictionary of word origins|url=http://archive.org/details/dictionaryofword00ship|accesso=2024-03-13|data=1945|anno=1945|editore=New York, Philosophical Library|p=133}}</ref> Queste evidenze sperimentali vennero riprese nel [[XVI secolo]] da [[William Gilbert]], che individuò numerose [[Sostanze chimiche|sostanze]], tra cui il [[diamante]] e lo [[zolfo]], che presentavano lo stesso comportamento dell'ambra. Egli diede il nome di "forza elettrica" alla [[forza]] che attirava i corpuscoli, e chiamò "[[elettrizzazione|elettrizzati]]" i materiali che manifestavano tale proprietà.<ref>{{Cita libro|nome=Benjamin Park|cognome=Cornell University Library|titolo=A history of electricity (The intellectual rise in electricity) from antiquity to the days of Benjamin Franklin|url=http://archive.org/details/cu31924004128686|accesso=2024-03-13|data=1898|anno=1898|editore=J. Wiley|città=New York|pp=315, 484–485}}</ref>

Gli studi sull'elettricità e sul magnetismo furono continuati in epoca moderna fra gli altri da [[Benjamin Franklin]] e [[Michael Faraday]], e in questo periodo nel contesto dell'atomismo fu avanzata l'idea che anche l'elettricità potesse essere costituita da piccoli corpuscoli indivisibili.<ref>{{cita web|url=https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1923/millikan-lecture.pdf|titolo="The electron and the light-quant from the experimental point of view"|accesso=29 aprile 2014|lingua=en}}</ref> L'idea di una quantità fondamentale di carica elettrica fu introdotta dal [[filosofo]] [[Richard Laming]] nel 1838 per spiegare le proprietà chimiche dell'[[atomo]].<ref name="arabatzis">{{cita|Arabatzis|pp. 70-74|arabatzis}}.</ref>

Nel 1874 il fisico irlandese [[George Johnstone Stoney|George Stoney]] introdusse il concetto di "unità di carica fondamentale".<ref>{{cita|Dahl|p. 46.}}</ref> Nel 1891 ne stimò il valore e coniò il termine "''elettrone"'' per riferirsi a tali "unità",<ref name=Dahl188>{{cita|Dahl|p. 188.}}</ref> scrivendo:

{{Citazione
| ... è stata fatta una stima dell'ammontare effettivo di questa notevolissima unità fondamentale dell'elettricità, per la quale da allora ho osato suggerire il nome di ''elettrone''<ref>
{{cita pubblicazione
| cognome = Stoney | nome = G.J.
| anno = 1894
| titolo = Of the "Electron," or Atom of Electricity
| rivista = [[Philosophical Magazine]]
| volume = 38 | numero = 5 | pp = 418-420}}</ref>
|[[George Johnstone Stoney|George Stoney]]
|... an estimate was made of the actual amount of this most remarkable fundamental unit of electricity, for which I have since ventured to suggest the name ''electron''
|lingua=en
|lingua2=it}}La terminazione ''-on'' (-one in italiano) di «elettrone» e di «protone» (scoperto nel 1920) venne usata in seguito per designare altre particelle subatomiche scoperte successivamente, come il [[neutrone]], il [[mesone]], il [[pione]] etc.<ref>{{cita libro|nome=A.H.|cognome=Soukhanov|titolo=Word Mysteries & Histories|anno=1986|editore=Houghton Mifflin Company|pagine=73|isbn=0-395-40265-4}}</ref><ref>{{cita libro|nome=D.B.|cognome=Guralnik|titolo=Webster's New World Dictionary|anno=1970|editore=Prentice Hall|pagine=450}}</ref>

=== La scoperta ===
[[File:Crookes tube-in use-lateral view-standing cross prPNr°11.jpg|thumb|L'esperimento con il [[tubo di Crookes]] è stato il primo a dimostrare l'esistenza dell'elettrone.]]

Le prime prove sperimentali dell'esistenza di questa particella si ebbero nel [[1860]], quando il fisico e chimico inglese Sir [[William Crookes]] effettuò esperimenti con il [[tubo di Geissler]], inserendovi due lamine metalliche e collegandole a un [[generatore elettrostatico|generatore di corrente continua]] a elevato [[potenziale elettrico|potenziale]] (circa {{M|30 000|ul=V}}). Durante tale esperimento, Crookes si accorse che si generava una [[luce]] avente una colorazione differente a seconda del gas utilizzato. Tale emissione luminosa aveva origine dal [[catodo]] (polo negativo) e fluiva verso l'[[anodo]] (polo positivo).

In seguito all'esperienza di Crookes, anche il fisico tedesco [[Johann Wilhelm Hittorf]] nel 1869, mentre si stava dedicando ad uno studio sulla [[conduttività elettrica]] dei gas, evidenziò un bagliore emesso dal [[catodo]] e verificò che aumentava in intensità con il decrescere della [[pressione]] del gas. Nel 1876 il fisico tedesco [[Eugen Goldstein]] mostrò che i raggi di tale bagliore proiettano un'ombra e li chiamò "[[raggi catodici]]".<ref>[[#refDahl1997|Dahl (1997:55–58).]]</ref> Durante gli anni settanta del XIX secolo, Crookes sviluppò il primo tubo catodico con un [[vuoto (fisica)|vuoto spinto]] all'interno,<ref name="dekosky">{{cita pubblicazione
| cognome = DeKosky | nome = R.K.
| anno = 1983
| titolo = William Crookes and the quest for absolute vacuum in the 1870s
| rivista = [[Annals of Science]]
| volume = 40 | numero = 1 | pp = 1-18| doi =10.1080/00033798300200101
| issn = 0003-3790}}</ref> dimostrando che i raggi luminescenti che appaiono all'interno del tubo trasportano [[energia]] e si muovono dal catodo all'anodo. Inoltre, applicando un [[campo magnetico]], fu in grado di deflettere i raggi, dimostrando che il fascio si comporta come se fosse carico negativamente.<ref name="leicester">{{cita libro
| cognome = Leicester | nome = H.M.
| anno = 1971
| titolo = The Historical Background of Chemistry
| url = http://books.google.com/?id=aJZVQnqcwv4C&pg=PA221
| pagine = 221-222
| editore = [[Courier Dover Publications]]
| isbn = 0-486-61053-5
}}</ref><ref>[[#refDahl1997|Dahl (1997:64–78).]]</ref> Nel 1879, Crookes avanzò l'idea che queste proprietà potessero essere spiegate da quella che denominò "materia radiante''"'' e suggerì che si doveva trattare di un nuovo [[stato della materia]], consistente di [[molecole]] cariche negativamente che sono espulse ad alta velocità dal catodo.<ref>{{cita pubblicazione
| cognome = Zeeman | nome = P.
| anno = 1907
| titolo = Sir William Crookes, F.R.S
| url = http://books.google.com/?id=UtYRAAAAYAAJ
| rivista = [[Nature]]
| volume = 77 | numero = 1984 | pp = 1-3| doi = 10.1038/077001a0
|bibcode = 1907Natur..77....1C}}</ref>

Il fisico inglese di origini tedesche [[Arthur Schuster]] proseguì gli esperimenti di Crookes posizionando delle piastre metalliche parallele ai raggi catodici e applicando un potenziale elettrico fra loro. Il campo deflesse i raggi verso la piastra carica positivamente, confermando che i raggi trasportano carica negativa. Misurando l'ammontare della deflessione per una data [[Intensità di corrente|intensità di corrente elettrica]], nel 1890 Schuster fu in grado di stimare il rapporto fra la massa e la carica dei componenti dei raggi catodici. Tuttavia, tale stima fu ritenuta poco attendibile dai suoi contemporanei poiché risultò migliaia di volte superiore alle attese.<ref name="leicester"/><ref name="dahl">[[#refDahl1997|Dahl (1997:99).]]</ref>

[[File:J J Thomsons cathode ray tube with magnet coils, 1897. (9663807404).jpg|thumb|left|Apparecchiatura utilizzata da Thomson per determinare il rapporto tra la carica e la massa di un elettrone.]]
Negli ultimi anni dell'Ottocento numerosi fisici sostennero la possibilità che l'elettricità fosse costituita da unità discrete, alle quali vennero conferiti vari nomi, ma delle quali non vi fu alcuna prova sperimentale convincente. Nel 1896, il fisico britannico [[J. J. Thomson]], con i suoi colleghi [[John Sealy Townsend|John S. Townsend]] e [[Harold A. Wilson (fisico)|H. A. Wilson]],<ref name="dahl"/> svolsero una serie di esperimenti che dimostrarono che i raggi catodici erano costituiti da singole particelle, piuttosto che onde, atomi o molecole come si riteneva in precedenza.<ref name="thomson">
{{cita pubblicazione
| cognome = Thomson | nome = J.J.
| anno = 1897
| titolo= Cathode Rays
| url = http://web.lemoyne.edu/~GIUNTA/thomson1897.html
| rivista = [[Philosophical Magazine]]
| volume = 44 | p = 293}}</ref> Thomson stimò in maniera accurata la carica ''e'' la massa, trovando che le particelle dei raggi catodici, che lui chiamò "corpuscoli", avevano probabilmente una massa migliaia di volte inferiore a quella dell'[[idrogenione]] (H+), lo ione più leggero che si conoscesse a quel tempo.<ref name="thomson"/><ref name="wilson">
{{cita libro
| cognome = Wilson | nome = R.
| anno = 1997
| titolo = Astronomy Through the Ages: The Story of the Human Attempt to Understand the Universe
| url = http://books.google.com/?id=AoiJ3hA8bQ8C&pg=PA138
| pagine = 138
| editore = [[CRC Press]]
| isbn = 0-7484-0748-0
}}</ref> Thomson mostrò come il rapporto carica/massa (''e''/''m''), uguale a {{M|5,273|u=e/g|e=17}}, fosse indipendente dal materiale del catodo. Inoltre mostrò come le particelle cariche negativamente prodotte dai materiali radioattivi, dai materiali riscaldati e dai raggi catodici fossero riconducibili tutte alla stessa entità.<ref name="thomson"/><ref>{{cita web |cognome = Thomson |nome = J.J. |anno = 1906 |titolo = Nobel Lecture: Carriers of Negative Electricity |url = https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1906/thomson-lecture.pdf |editore = [[Fondazione Nobel]] |accesso = 25 agosto 2008 |urlarchivio = https://web.archive.org/web/20081010100408/http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1906/thomson-lecture.pdf |urlmorto = sì}}</ref>

Il nome "elettrone" fu nuovamente proposto per identificare tali particelle dal fisico irlandese [[George FitzGerald]] e da allora il nome venne universalmente accettato.<ref name="leicester"/>
Mentre studiava i minerali naturalmente [[fluorescenza|fluorescenti]] nel 1896, il fisico francese [[Henri Becquerel]] scoprì che essi emettono radiazione senza l'intervento di una sorgente di energia esterna. Tali materiali radioattivi divennero argomento di grande interesse da parte degli scienziati, fra cui anche il fisico neozelandese [[Ernest Rutherford]], il quale scoprì che emettevano particelle, da lui chiamate [[Particella α|particelle alfa]] e [[Particella β|beta]], sulla base della loro capacità di penetrare la materia.<ref>
{{cita pubblicazione
| cognome = Trenn | nome = T.J.
| anno = 1976
| titolo = Rutherford on the Alpha-Beta-Gamma Classification of Radioactive Rays
| rivista = [[Isis (periodico)|Isis]]
| volume = 67 | numero = 1 | pp = 61-75| jstor = 231134
| doi = 10.1086/351545
}}</ref> Nel 1900, Becquerel mostrò che i raggi beta emessi dal [[Radio (elemento chimico)|radio]] potevano essere deflessi da un campo elettrico e che il loro rapporto massa-carica era lo stesso dei raggi catodici.<ref>
{{cita pubblicazione
| cognome = Becquerel | nome = H.
| anno = 1900
| titolo = Déviation du Rayonnement du Radium dans un Champ Électrique
| rivista = [[Comptes Rendus de l'Académie des Sciences]]
| volume = 130 | pp = 809-815}} {{fr}}</ref> Tale evidenza sperimentale suggeriva che gli elettroni esistevano come componenti degli atomi.<ref name="BaW9091">[[#refBaW2001|Buchwald and Warwick (2001:90–91).]]</ref><ref>
{{cita pubblicazione
| cognome = Myers | nome = W.G.
| anno = 1976
| titolo = Becquerel's Discovery of Radioactivity in 1896
| url = http://jnm.snmjournals.org/cgi/content/abstract/17/7/579
| rivista = [[Journal of Nuclear Medicine]]
| volume = 17 | numero = 7 | pp = 579-582| pmid = 775027
}}</ref>

[[File:Simplified scheme of Millikan’s oil-drop experiment it.svg|thumb|upright=1.6|Diagramma dell'apparato utilizzato nell'[[esperimento della goccia d'olio]] di Millikan e Fletcher.]]
La carica degli elettroni fu misurata con maggiore precisione dal fisici americani [[Robert Millikan]] e [[Harvey Fletcher]] nel loro [[esperimento della goccia d'olio]] del 1909, i cui risultati furono pubblicati nel 1911. In tale esperimento venne usato un campo elettrico per frenare la caduta, dovuta alla gravità, di una goccia d'olio elettricamente carica. Grazie a tale apparato strumentale, fu possibile misurare la carica elettrica prodotta da pochi ioni (tra 1 e 150) con un margine di errore inferiore allo 0,3%. Si ottenne un valore pari a {{Val|-1,602e-19|ul=C}} e fu quindi possibile stimare che la massa dell'elettrone dovesse valere {{M|9,109e-31|ul=kg}}. Un simile esperimento era stato condotto in precedenza dal gruppo di Thomson,<ref name="thomson"/> usando nubi di gocce di acqua cariche generate tramite l'[[elettrolisi]],<ref name="dahl"/> e nel 1911 da [[Abram Ioffe]], che ottenne in maniera indipendente lo stesso risultato di Millikan usando microparticelle di metallo cariche, pubblicando i risultati nel 1913.<ref>
{{cita pubblicazione
| cognome = Kikoin | nome = I.K.
| coautori = I.S. Sominskiĭ
| anno = 1961
| titolo = Abram Fedorovich Ioffe (on his eightieth birthday)
| rivista = [[Soviet Physics Uspekhi]]
| volume = 3 | pp = 798-809| doi = 10.1070/PU1961v003n05ABEH005812
|bibcode = 1961SvPhU...3..798K
| numero = 5 }} Pubblicazione originale in russo:{{cita pubblicazione
| cognome = Кикоин | nome = И.К.
| coautori = М.С. Соминский
| anno = 1960
| titolo = Академик А.Ф. Иоффе
| url = http://ufn.ru/ufn60/ufn60_10/Russian/r6010e.pdf
| rivista = [[Успехи Физических Наук]]
| volume = 72 | numero = 10 | pp = 303-321}}</ref> Tuttavia, le gocce d'olio risultavano più stabili di quelle dell'acqua a causa della loro bassa velocità di evaporazione e quindi maggiormente adatte per svolgere esperimenti precisi per un lungo periodo di tempo.<ref>
{{cita pubblicazione
| cognome = Millikan | nome = R.A.
| anno = 1911
| titolo = The Isolation of an Ion, a Precision Measurement of its Charge, and the Correction of Stokes' Law
| rivista = [[Physical Review]]
| volume = 32 | numero = 2 | pp = 349-397| doi = 10.1103/PhysRevSeriesI.32.349
|bibcode = 1911PhRvI..32..349M }}</ref>

Attorno all'inizio del ventesimo secolo, fu scoperto che sotto certe condizioni una particella carica che si muove ad elevata velocità causa una condensazione di vapore acqueo sovrassaturo lungo il suo cammino. Nel 1911, [[Charles Thomson Rees Wilson|Charles Wilson]] sfruttò tale principio per sviluppare la prima [[camera a nebbia]], uno strumento che permette di tracciare e fotografare il percorso seguito da particelle cariche, come gli elettroni veloci.<ref>{{cita pubblicazione
| cognome = Das Gupta | nome = N.N.
| coautori = S.K. Ghosh
| anno = 1999
| titolo = A Report on the Wilson Cloud Chamber and Its Applications in Physics
| rivista = [[Reviews of Modern Physics]]
| volume = 18 | pp = 225-290| doi = 10.1103/RevModPhys.18.225
| bibcode=1946RvMP...18..225G
| numero = 2
}}</ref>

=== Teoria atomica ===
[[File:Bohr atom model (mul).svg|thumb|left|Il [[modello atomico di Bohr]], in cui sono visualizzati gli stati energetici quantizzati. Un elettrone che effettua una [[Transizione elettronica|transizione]] tra due orbite emette un fotone con un'energia pari alla differenza energetica fra i due livelli.]]

A partire dal 1914, gli esperimenti dei fisici [[Ernest Rutherford]], [[Henry Moseley]], [[James Franck]] e [[Gustav Hertz]] stabilirono definitivamente che l'atomo è formato da un nucleo massivo carico positivamente circondato da elettroni di massa minore.<ref name=smirnov /> Nel 1913, il fisico danese [[Niels Bohr]] postulò che gli elettroni si trovassero in stati di energia [[Quantizzazione (fisica)|quantizzata]], con l'energia determinata dal [[momento angolare]] delle orbite degli elettroni attorno al nucleo. La teoria avanzata da Bohr prevedeva inoltre che gli elettroni potessero muoversi tra questi stati (o orbite) in seguito all'assorbimento o all'emissione di un [[quanto]] di energia, un [[fotone]] di specifica [[frequenza]]. Tale teoria era in grado di spiegare la comparsa delle [[Linea spettrale atomica|linee di emissione spettrale]] dell'[[idrogeno]] come conseguenza del suo contenuto energetico attraverso riscaldamento o facendolo attraversare da corrente elettrica. Nonostante ciò, il modello di Bohr non era in grado di predire l'intensità delle relative linee e di spiegare la struttura dello spettro di atomi più complessi.<ref name=smirnov>{{cita|Smirnov|pp. 4-10|smirnov}}.</ref>

La formazione di [[legami chimici]] tra atomi fu spiegata nel 1916 da [[Gilbert Newton Lewis]], il quale asserì che il [[legame covalente]] sia generato dalla condivisione di una coppia di elettroni tra due atomi,<ref>{{cita pubblicazione
|autore=Gilbert N. Lewis
|titolo=The Atom and the Molecule
|rivista=[[Journal of the American Chemical Society]]
|mese=aprile
|anno=1916
|volume=38
|numero=4
|pp=762-786
|doi=10.1021/ja02261a002 }}</ref> mentre una descrizione completa sulla formazione di queste coppie e dei legami chimici venne fornita da [[Walter Heitler]] e [[Fritz London]] nel 1923 grazie alla meccanica quantistica.<ref name=Arabatzis>
{{cita pubblicazione
|autore=T. Arabatzis
|coautori=K. Gavroglu
|anno=1997
|titolo = The chemists' electron
|rivista=European Journal of Physics
|volume=18
|pp=150-163
|numero=3
|doi=10.1088/0143-0807/18/3/005
|bibcode = 1997EJPh...18..150A
}}</ref> Nel 1919 il chimico statunitense [[Irving Langmuir]] rielaborò il modello statico dell'atomo di Lewis ipotizzando che tutti gli elettroni fossero distribuiti in una serie di gusci (''shell'') sferici approssimativamente concentrici, tutti di uguale spessore";<ref>{{cita pubblicazione |autore = Irving Langmuir |titolo = The Arrangement of Electrons in Atoms and Molecules |rivista = Journal of the American Chemical Society |anno = 1919 |volume = 41 |numero = 6 |pp = 868-934 |url = http://www.physics.kku.ac.th/estructure/files/Langmuir_1919_AEA.pdf |urlmorto = sì |urlarchivio = https://www.webcitation.org/66YZ6UWkA?url=http://www.physics.kku.ac.th/estructure/files/Langmuir_1919_AEA.pdf |dataarchivio = 30 marzo 2012}}</ref> tali gusci erano a loro volta suddivisi in celle, ognuna delle quali conteneva una coppia di elettroni. Tramite questo modello, Langmuir spiegò qualitativamente le proprietà chimiche di tutti gli elementi,<ref name=Arabatzis/> le quali si ripetono secondo un ordine preciso stabilito dalla [[tavola periodica]].<ref>{{cita libro
| cognome=Scerri | nome=Eric R. | anno=2007
| titolo=The Periodic Table
| url=https://archive.org/details/periodictableits0000scer | editore=Oxford University Press US
| pagine=205-226 }}</ref>

Nel 1924, il fisico austriaco [[Wolfgang Pauli]] osservò che la struttura a strati di un atomo poteva essere spiegata attraverso un insieme di quattro parametri che definivano univocamente lo stato quantico di un elettrone, e che un singolo stato non poteva essere occupato da più di un singolo elettrone (questa legge è nota come [[principio di esclusione di Pauli]]).<ref>{{cita libro
| cognome=Massimi | nome=Michela | anno=2005
| titolo=Pauli's Exclusion Principle, The Origin and Validation of a Scientific Principle
| editore=Cambridge University Press}}</ref> Nonostante la sua intuizione, Pauli non riuscì a spiegare il significato fisico del quarto parametro, il quale poteva assumere solo due valori. La spiegazione teorica di tale parametro si deve invece ai fisici olandesi [[Samuel Goudsmit]] e [[George Uhlenbeck]], i quali suggerirono che un elettrone, oltre al momento angolare associato alla sua orbita, può possedere un proprio momento angolare intrinseco.<ref name=smirnov /><ref>{{cita pubblicazione
|autore=G. E. Uhlenbeck
|coautori=S. Goudsmith
|titolo=Ersetzung der Hypothese vom unmechanischen Zwang durch eine Forderung bezüglich des inneren Verhaltens jedes einzelnen Elektrons
|rivista=Die Naturwissenschaften |anno =1925
|volume=13
|numero=47
|lingua=tedesco
|url=http://adsabs.harvard.edu/abs/1925NW.....13..953E
}}</ref> Fu così introdotto il concetto di [[spin]] e con questa scoperta era possibile spiegare anche la separazione delle [[linea spettrale|linee spettrali]] osservata con uno [[spettrografo]] ad alta definizione.<ref>{{cita pubblicazione
|autore=W. Pauli
|titolo=Über die Gesetzmäßigkeiten des anomalen Zeemaneffektes
|rivista=Zeitschrift für Physik
|anno=1923
|volume=16
|numero=1
|pp=155-164
|lingua=tedesco
|url=http://adsabs.harvard.edu/abs/1923ZPhy...16..155P
}}</ref>

=== Meccanica quantistica ===
[[File:Double-slit experiment results Tanamura 2.jpg|thumb|upright|Esperimento della doppia fenditura effettuato con elettroni. Le immagini sono prese dopo l'invio di 10 (a), 200 (b), {{formatnum:6000}} (c), {{formatnum:40000}} (d), {{formatnum:140000}} (e) elettroni e mostrano una concentrazione della presenza di elettroni lungo una serie di bande, similmente a quanto accade nell'[[interferenza (fisica)|interferenza]] luminosa.]]
Nel 1929, il fisico francese [[Louis de Broglie]] vinse il [[premio Nobel per la fisica]] per aver scoperto che anche gli elettroni, oltre alla [[luce]], sono caratterizzati da una doppia natura, una corpuscolare e una ondulatoria.<ref>{{cita web|titolo = The Nobel Prize in Physics 1929|url=https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1929/|accesso=6 aprile 2012}}</ref> Questa nuova proprietà, presentata per la prima volta nella sua dissertazione del 1924 dal titolo ''{{lang|fr|Recherches sur la théorie des quanta}}'' (Ricerca sulla teoria dei quanti) è nota come [[dualismo onda-particella]] e comporta la possibilità di osservare fenomeni di [[interferenza (fisica)|interferenza]] fra elettroni sotto appropriate condizioni:

{{Citazione
|L'elettrone non può più essere concepito come un singolo, piccolo granulo di energia elettrica, esso deve essere associato con un'onda e questa onda non è mito; la sua lunghezza d'onda può essere misurata e la sua interferenza prevista.<ref name="de_broglie">
{{Cita web
|cognome=de Broglie |nome=Louis
|anno=1929
|titolo=Nobel Lecture: The Wave Nature of the Electron
|url=https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1929/broglie-lecture.pdf
|editore=[[Fondazione Nobel]]
|accesso=30 agosto 2008
}}</ref>
|[[Louis de Broglie]]
|The electron can no longer be conceived as a single, small granule of electricity; it must be associated with a wave and this wave is no myth; its wavelength can be measured and its interferences predicted.
|lingua=en
|lingua2=it}}

L'interferenza è una proprietà di tutte le onde: ad esempio nel caso della luce, se tra una sorgente luminosa e uno schermo illuminato da tale sorgente viene interposto un foglio con delle fessure parallele, la luce prodotta dalla sorgente attraversa tali fessure e si proietta sullo schermo producendo delle figure a bande in corrispondenza dello schermo. Nel 1927 furono osservati gli effetti dell'interferenza con un fascio di elettroni dal fisico inglese [[George Paget Thomson]] con una sottile pellicola metallica e dai fisici americani [[Clinton Davisson]] e [[Lester Germer]], i quali studiarono il fenomeno di [[scattering]] degli elettroni incidenti su una lastra di [[nichel|nickel]] [[monocristallino]].<ref>
{{Cita web
|cognome=Davisson |nome=Clinton
|anno=1937
|titolo=Nobel Lecture: The Discovery of Electron Waves
|url=https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1937/davisson-lecture.pdf
|editore=[[Fondazione Nobel]]
|accesso=30 agosto 2008
}}</ref> [[Niels Bohr]] nello stesso anno incluse l'ipotesi di de Broglie e queste evidenze sperimentali nel [[principio di complementarità]], secondo il quale una descrizione completa dell'elettrone e della luce non può fare riferimento solo alla sua natura ondulatoria o solo alla sua natura particellare, ma deve necessariamente includerle entrambe.<ref>{{cita libro|autore=Albert Einstein |coautori=Leopold Infeld|titolo= The Evolution of Physics|pagine= 262-263|anno=1967|ISBN=978-0-671-20156-2|lingua=en}}</ref>
Infatti la natura ondulatoria dell'elettrone si manifesta ad esempio nel fenomeno dell'interferenza, mentre la natura corpuscolare fa sì che un fascio di elettroni riesca a fare girare un piccolo mulinello posizionato lungo il suo tragitto.

Il successo della previsione di de Broglie portò alla pubblicazione dell'[[equazione di Schrödinger]], formulata nel 1926 da [[Erwin Schrödinger]], che descrive l'evoluzione temporale di uno [[stato quantico]] (e quindi della relativa [[funzione d'onda]]).<ref>
{{Cita pubblicazione
|cognome=Schrödinger |nome=Erwin
|anno=1926
|titolo=Quantisierung als Eigenwertproblem
|rivista=[[Annalen der Physik]]
|volume=385 |numero=13 |pp=437-490|bibcode=1926AnP...385..437S
|doi=10.1002/andp.19263851302
}} {{De}}</ref> Piuttosto che cercare una soluzione che determinasse la posizione di un elettrone nel tempo, questa equazione era usata per prevedere la probabilità di trovare un elettrone in un volume finito o infinitesimo dello spazio. Da questo approccio ebbe origine la branca della fisica denominata "[[meccanica quantistica]]", che garantì la possibilità di ricavare teoricamente i livelli energetici di un elettrone nell'atomo di [[idrogeno]] in buon accordo con i dati sperimentali.<ref>
{{cita libro
|cognome=Rigden |nome=John S.
|anno=2003
|titolo=Hydrogen
|editore=[[Harvard University Press]]
|pagine=59-86
|isbn=0-674-01252-6}}</ref> Una volta che vennero presi in considerazione lo [[spin]] e l'interazione fra più elettroni, la meccanica quantistica fu in grado di ricostruire l'andamento delle proprietà chimiche tipiche degli elementi nella [[tavola periodica]].<ref>
{{cita libro
|cognome=Reed |nome=Bruce Cameron
|anno=2007
|titolo=Quantum Mechanics
|pagine=275-350
|editore=[[Jones & Bartlett Publishers]]
|isbn=0-7637-4451-4}}</ref>
[[File:Orbitale atomico S.png|left|thumb|alt=Una nube blu simmetrica che decresce in intensità dal centro andando verso l'esterno|Rappresentazione dell'[[orbitale atomico]] ''s'', caratterizzato da simmetria sferica. L'ombreggiatura indica il valore della [[distribuzione di probabilità]] relativa all'elettrone nell'orbitale.]]
Nel 1928, basandosi sul lavoro di Wolfgang Pauli, [[Paul Dirac]] formulò un modello dell'elettrone coerente con la [[teoria della relatività ristretta]], applicando considerazioni relativistiche e di simmetria alla [[Meccanica hamiltoniana|formulazione hamiltoniana]] della meccanica quantistica per un elettrone in un campo elettromagnetico; questa trattazione portò alla formulazione dell'[[equazione di Dirac]].<ref>
{{Cita pubblicazione
|cognome=Dirac |nome=Paul A. M.
|anno=1928
|titolo=The Quantum Theory of the Electron
|url=https://archive.org/details/quantumtheoryele00dira |rivista=[[Proceedings of the Royal Society of London A]]
|volume=117 |numero=778 |pp=[https://archive.org/details/quantumtheoryele00dira/page/n0 610]-624|doi=10.1098/rspa.1928.0023
}}</ref> Per risolvere i problemi della sua equazione relativistica (in primo luogo l'esistenza di soluzioni a energia negativa), nel 1930 lo stesso Dirac sviluppò un modello del vuoto come un mare infinito di particelle con energia negativa, che fu poi chiamato [[mare di Dirac]]. Questo permise di prevedere l'esistenza del [[positrone]], la corrispettiva [[antiparticella]] dell'elettrone,<ref>,
{{Cita web
|cognome=Dirac |nome=Paul A. M.
|anno=1933
|titolo=Nobel Lecture: Theory of Electrons and Positrons
|url=https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1933/dirac-lecture.pdf
|editore=[[Fondazione Nobel]]
|accesso=1º novembre 2008
}}</ref> che fu scoperta sperimentalmente nel 1932 da [[Carl David Anderson]]<ref>
{{cita pubblicazione
|cognome=Anderson |nome=Carl D.
|anno=1933
|titolo=The Positive Electron
|url=https://archive.org/details/sim_physical-review_1933-03-15_43_6/page/n105 |rivista=[[Physical Review]]
|volume=43 |numero=6 |pp=491-494|doi=10.1103/PhysRev.43.491
|bibcode = 1933PhRv...43..491A }}</ref>. Anderson propose di chiamare gli elettroni ''negatroni'' e di usare il termine ''elettroni'' per indicare genericamente una delle varianti della particella sia a carica positiva che negativa. Questo uso del termine ''negatroni'' è occasionalmente utilizzato tuttora, anche nella sua forma abbreviata ''negatone''.<ref>
{{cita libro
|nome=Helge |cognome=Kragh
|anno=2002
|titolo=Quantum Generations: A History of Physics in the Twentieth Century
|pagina=132
|editore=[[Princeton University Press]]
|isbn=0-691-09552-3}}</ref><ref>
{{cita libro
|nome=Frank |cognome=Gaynor
|anno=1950
|titolo=Concise Encyclopedia of Atomic Energy
|pagina=117
|editore=[[The Philosophical Library]]
}}</ref>

Gli elettroni nel mare di Dirac furono introdotti con lo scopo di impedire la perdita di energia senza limiti degli elettroni reali osservati. In questo contesto, i fotoni (cioè i quanti della radiazione elettromagnetica) possono essere assorbiti dagli elettroni del mare, permettendo a questi ultimi di uscire fuori da esso. Come risultato netto si generano degli elettroni a carica negativa e delle lacune di carica positiva nel mare. Una lacuna potrà essere rioccupata dall'elettrone che perde energia rilasciando in questo modo nuovamente un altro fotone.<ref>{{cita libro
| cognome=Finster | nome=Felix | anno=2006
| titolo=The principle of the fermionic projector
| url=https://archive.org/details/principleoffermi0000fins | editore=American Mathematical Soc. | pagine= 16 | isbn=0-8218-3974-8}}</ref>

Nel 1947 [[Willis Eugene Lamb|Willis Lamb]], lavorando in collaborazione con lo studente Robert Retherford, trovò che certi stati quantistici dell'elettrone nell'atomo di idrogeno, che avrebbero dovuto avere la stessa energia, erano spostati uno rispetto all'altro e tale deviazione fu chiamata [[spostamento di Lamb]]. Circa nello stesso periodo, [[Polykarp Kusch]], lavorando con [[Henry M. Foley]], scoprì che il [[momento magnetico]] dell'elettrone è di poco più grande di quanto previsto dell'equazione di Dirac. Questa piccola differenza fu successivamente chiamata "momento magnetico di dipolo anomalo dell'elettrone". Per risolvere questo e altri problemi, una teoria avanzata chiamata [[elettrodinamica quantistica]] fu sviluppata da [[Sin-Itiro Tomonaga]], [[Julian Schwinger]] e [[Richard P. Feynman]] alla fine degli anni quaranta.<ref>
{{Cita web
|titolo=The Nobel Prize in Physics 1965
|url=https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1965/
|editore=[[Fondazione Nobel]]
|accesso=4 novembre 2008
}}</ref>

=== Acceleratori di particelle ===
Con lo sviluppo degli [[acceleratori di particelle]] nella prima metà del XX secolo, i fisici iniziarono ad approfondire le proprietà delle particelle subatomiche.<ref>{{cita web|autore=Wolfgang K.H. Panofsky|anno=1997|titolo=The Evolution of Particle Accelerators & Colliders|url=http://www.slac.stanford.edu/pubs/beamline/27/1/27-1-panofsky.pdf|editore=slac.stanford.edu|accesso=11 aprile 2010|lingua=en}}</ref> Le proprietà di corpuscolo elementare puntiforme dell'elettrone hanno reso questa particella una sonda perfetta per esplorare la struttura dei nuclei atomici. Il primo tentativo riuscito di accelerare elettroni usando l'[[induzione elettromagnetica]] fu ad opera di [[Donald William Kerst]] nel 1942: il suo primo [[betatrone]] raggiunse energie di {{M|2,3|ul=MeV}}, mentre quelli successivi raggiunsero i {{M|300|ul=MeV}}.<ref>{{cita web|autore=Malcom W. Browne|titolo=Donald William Kerst Dies at 81; Built Particle Accelerators in 40's|url=https://www.nytimes.com/1993/08/20/obituaries/donald-william-kerst-dies-at-81-built-particle-accelerators-in-40-s.html|editore=nytimes.com|data=20 agosto 1993|accesso=11 aprile 2010|lingua=en}}</ref> Nel 1947 fu scoperta la [[radiazione di sincrotrone]] con un sincrotrone di {{M|70|ul=MeV}} della [[General Electric]]; questa radiazione era causata dall'accelerazione degli elettroni che, in un campo magnetico, raggiungono velocità prossime a quelle della luce.<ref>{{cita|Elder, Gurewitsch, Langmuir e Pollock|pp. 829-830|elder}}.</ref>

Il primo acceleratore di particelle ad alte energie è stato [[ADONE]], con un fascio di particelle di energia pari a {{M|1,5|ul=GeV}}; questa struttura, operativa a partire dal 1968,<ref>{{cita|Hoddeson, Brown, Riordan e Dresden|pp. 25-26|hoddeson}}.</ref> accelerava elettroni e positroni in direzioni opposte, raddoppiando in pratica l'energia prodottasi nelle loro collisioni se paragonata a quella ottenuta nelle collisioni degli elettroni con un bersaglio fisso.<ref>{{cita|Bernardini|pp. 156-183|bernardini}}.</ref> Il [[Large Electron-Positron Collider]] (LEP) al CERN, che operò dal 1989 al 2000, raggiunse energie di collisione pari a {{M|209|ul=GeV}} e fece importanti misure in merito al [[modello standard]].<ref>{{cita web|anno=2008|titolo=Testing the Standard Model: The LEP experiments|url=https://public.web.cern.ch/PUBLIC/en/Research/LEPExp-en.html|editore=public.web.cern.ch|accesso=11 aprile 2010|lingua=en}}</ref><ref>{{cita web|titolo=LEP reaps a final harvest|url=http://cerncourier.com/cws/article/cern/28335|editore=cerncourier.com|data=1º dicembre 2000|accesso=11 aprile 2010
}}</ref> Il [[Large Hadron Collider]] (LHC), l'ultimo acceleratore del CERN, sostituisce gli elettroni con [[adroni]], perché questi ultimi sono meno soggetti alla perdita di energia per radiazione di sincrotrone e quindi il rapporto fra energia acquisita dalla particella e l'energia spesa per ottenerla è maggiore.<ref>{{cita web|anno=2008|titolo=Synchrotron Radiation|http://asd.gsfc.nasa.gov/Volker.Beckmann/school/download/Longair_Radiation2.pdf|editore=asd.gsfc.nasa.gov|lingua=en}}</ref>

== Classificazione ==
[[File:Standard Model of Elementary Particles it.svg|thumb|upright=1.3|Il modello standard delle particelle elementari. L'elettrone è in basso a sinistra.]]

Nel [[modello standard]] della [[fisica delle particelle]] l'elettrone, avendo [[spin]] semi intero, è un [[fermione]]<ref name="curtis74">{{cita|Curtis|p. 74.|curtis74}}</ref>, e in particolare fa parte del gruppo dei [[leptone|leptoni]]. Si ritiene sia una [[particella elementare]] e appartiene alla prima [[Generazione (fisica)|generazione]] di particelle fondamentali, mentre alla seconda e alla terza generazione appartengono altri leptoni carichi, il [[muone]] e il [[tauone]], che possiedono identica carica e spin, ma [[massa a riposo]] maggiore. A differenza dell'elettrone, che è una particella stabile, il muone e il tauone sono soggetti a [[Decadimento particellare|decadimento]].<ref>{{Cita web|url=http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Particles/lepton.html|titolo=Leptons|sito=hyperphysics.phy-astr.gsu.edu|accesso=2022-11-05}}</ref> L'elettrone e tutti i leptoni sono soggetti all'[[interazione gravitazionale]], a quella [[interazione debole|debole]] e a quella [[interazione elettromagnetica|elettromagnetica]], ma differiscono dagli altri componenti fondamentali della materia, i [[quark (particella)|quark]], in quanto non risentono dell'[[interazione nucleare forte]].<ref>{{cita|Povh||povh}}.</ref>

== Proprietà ==
=== Proprietà fondamentali ===
L'elettrone possiede una massa a riposo di {{Val|9,1093837015e-31|(28)|ul=kg}}, che, in base al principio di [[equivalenza massa-energia]], corrisponde a un'energia a riposo di {{M|0,511|ul=MeV}}, con un rapporto rispetto alla massa del [[protone]] di circa 1 a 1836. Si tratta della particella subatomica [[Decadimento particellare|stabile]] più leggera che si conosca tra quelle dotate di carica elettrica.<ref>{{cita web|url=https://www.britannica.com/EBchecked/topic/183374/electron|titolo=Electron|accesso=26 luglio 2011}}</ref> Misure astronomiche hanno mostrato che il rapporto fra le masse del protone e dell'elettrone è rimasto costante per almeno metà dell'[[età dell'universo]], come è previsto nel modello standard.<ref>{{cita|Murphy|pp. 1611-1613|murphy}}.</ref>

L'elettrone ha una carica elettrica pari a {{Val|−1,602 176 634e-19|ul=C}}, definita come "[[carica elementare]]" ed usata come unità standard per la carica delle particelle subatomiche. Entro i limiti dell'errore sperimentale, il valore della carica dell'elettrone è uguale a quella del protone, ma con il segno opposto.<ref>{{cita|Zorn|pp. 2566-2576|zorn}}.</ref> Il valore della carica elementare è indicato con il simbolo ''e'', mentre l'elettrone viene comunemente indicato con il simbolo ''e−'', dove il segno meno indica il fatto che tale particella presenta carica negativa; analogamente, per la sua [[antiparticella]], il [[positrone]], che ha la stessa massa e carica di segno opposto, è utilizzato come simbolo ''e+''.<ref name="raith">{{cita|Raith e Mulvey|pp. 777-781|raith}}.</ref>

L'elettrone non ha sottostrutture conosciute<ref name="prl50"/><ref>{{cita|Gabrielse|pp. 030802(1-4).|gabrielse}}</ref> e viene descritto come una particella puntiforme,<ref name="curtis74"/> dal momento che esperimenti effettuati con la [[trappola di Penning]] hanno mostrato che il limite superiore per il raggio della particella è di 10−22 [[metri]].<ref>{{cita|Dehmelt|pp. 102-110|dehmelt}}.</ref> Esiste inoltre una [[costante fisica]], il [[raggio classico dell'elettrone]], a cui corrisponde un valore di {{M|2,8179|e=−15|ul=m}}; questa costante deriva tuttavia da un calcolo che trascura gli effetti quantistici presenti.<ref>{{cita|Meschede|p. 168.|meschede}}</ref><ref group="N">Il raggio classico dell'elettrone è ottenuto nel seguente modo: si assume la carica dell'elettrone distribuita uniformemente all'interno di una sfera, che assume così un'energia potenziale elettrostaica. L'energia eguaglia l'energia a riposo dell'elettrone, definita dalla [[relatività ristretta]] come E=mc2. In [[elettrostatica]] l'energia potenziale di una sfera con raggio ''r'' e carica ''e'' è data da:
:<math>E_{\mathrm p} = \frac{e^2}{8\pi \varepsilon_0 r}</math>
dove ''ε''0 è la [[costante dielettrica del vuoto]]. Per un elettrone con massa a riposo ''m''0 l'energia a riposo è uguale a:
:<math>\textstyle E_{\mathrm p} = m_0 c^2</math>
dove ''c'' è la velocità della luce nel vuoto. Uguagliando questi due termini e risolvendo l'equazione per ''r'' si ottiene il raggio classico dell'elettrone. Per approfondire si può fare riferimento a: {{cita|Haken|p. 70.|haken}}</ref> Si ritiene che l'elettrone sia stabile poiché, dal momento che è la particella carica con massa più piccola e il suo [[Radioattività|decadimento]] violerebbe la [[legge di conservazione della carica elettrica]], assumendo vero il [[principio di conservazione dell'energia]].<ref>{{cita|Steinberg|pp. 2582-2586|steinberg}}.</ref> Il limite inferiore sperimentale per la vita media dell'elettrone è di {{M|4,6|u=anni|e=26}}, con un [[intervallo di confidenza]] al 90%.<ref>{{cita|Yao|pp. 77-115|yao}}.</ref>

[[File:Asymmetricwave2.png|thumb|left|Funzione d'onda antisimmetrica per uno stato quantico di [[Particella in una scatola|due fermioni identici in una scatola bidimensionale]]. Se le particelle si scambiassero la posizione la funzione d'onda invertirebbe il suo segno.]]

=== Proprietà quantistiche ===

In [[meccanica quantistica]] l'elettrone può essere trattato sia come onda che come particella, in accordo con il [[dualismo onda-particella]].<ref group="N">Tale risultato è mostrato attraverso l'importante [[esperimento della doppia fenditura]], in cui si mostra la natura ondulatoria dell'elettrone, che attraversa le due fenditure contemporaneamente causando una figura di [[Interferenza (fisica)|interferenza]].</ref> Nel formalismo delle [[funzione d'onda|funzioni d'onda]] l'elettrone è descritto matematicamente da una [[funzione di variabile complessa|funzione a valori complessi]], la [[funzione d'onda]] appunto. Il [[quadrato (algebra)|quadrato]] del [[Valore assoluto#Numeri complessi|valore assoluto]] della funzione d'onda rappresenta una [[densità di probabilità]], cioè la probabilità che l'elettrone sia osservato nell'[[intorno]] di una determinata posizione.<ref name="munowitz">{{cita|Munowitz|pp. 162-218|munowitz}}.</ref><ref group="N">La probabilità che la particella si trovi nell'intervallo <math>(q , q+dq)</math> al tempo ''t'' è:
:<math>dP = |\psi (q,t)|^2 dq \ </math>
</ref>
Da tale distribuzione si può calcolare l'[[Incertezza di misura|incertezza]] della posizione dell'elettrone. Un calcolo analogo si può fare sulla [[quantità di moto]] dell'elettrone. Le incertezze sulla posizione e la quantità di moto sono legate dal [[principio di indeterminazione di Heisenberg]].

Gli elettroni sono [[particelle identiche]], ovvero non possono essere distinte l'una dall'altra per le loro proprietà fisiche intrinseche: è possibile cambiare la posizione di una coppia di elettroni interagenti senza che si verifichi un cambiamento osservabile nello stato del sistema. La funzione d'onda dei [[fermioni]], di cui gli elettroni fanno parte, è antisimmetrica: il segno della funzione d'onda cambia quando la posizione dei due elettroni viene scambiata,<ref group="N">Lo scambio di due elettroni comporta che la funzione d'onda <math>\psi(r_1, r_2)</math> diventi <math>-\psi(r_2, r_1)</math>, dove le variabili <math>r_1</math> e <math>r_2</math> corrispondono rispettivamente alle posizioni del primo e del secondo elettrone.</ref> ma il valore assoluto non varia con il cambio di segno e il valore della probabilità resta immutato. Questo differenzia i fermioni dai [[bosone (fisica)|bosoni]], che hanno una funzione d'onda simmetrica.<ref name="munowitz"/>

Il [[momento angolare]] intrinseco è caratterizzato dal [[numero quantico di spin]], pari a 1/2 in unità di [[costante di Planck|ħ]],<ref name="raith"/> e l'autovalore dell'operatore di [[spin]] è √3⁄2 ħ.<ref group="N">L'equazione agli autovalori per l'osservabile di spin al quadrato è:
:<math>S^2 |s, s_z \rangle = \hbar^2 s (s+1) |s, s_z \rangle</math>
da cui l'autovalore nel caso di spin 1/2:
:<math> S = \sqrt{\hbar^2 s(s + 1)} = \frac{\sqrt{3}}{2} \hbar </math>
Per approfondire si può fare riferimento a: {{cita|Gupta|p. 81.|gupta}}</ref> Il risultato di una misura della proiezione dello spin su ognuno degli assi di riferimento può inoltre valere soltanto ±ħ⁄2.<ref group="N">L'equazione agli autovalori per l'osservabile di spin nella direzione dell'asse ''z'' è
:<math>S_z |s, s_z \rangle = \hbar s_z |s, s_z \rangle</math>
da cui l'autovalore nel caso di spin 1/2:
:<math> S = \pm \frac{\hbar}{2}</math>
dove il segno ± indica i due stati possibili.</ref>
Oltre allo spin, l'elettrone ha un [[momento magnetico]] intrinseco, allineato al suo spin, che ha un valore approssimativamente simile al [[magnetone di Bohr]],<ref name=Hanneke>{{cita|Odom|pp. 030801(1-4).|odom}}</ref><ref group="N">Il magnetone di Bohr è definito come:
:<math>\textstyle\mu_B=\frac{e\hbar}{2m_e}.</math></ref> che è una costante fisica che vale {{Val|9,27400949e-24|(80)|ul=J/T}}. La proiezione del vettore di spin lungo la direzione della quantità di moto definisce la proprietà delle particelle elementari conosciuta come [[elicità]].<ref name="anastopoulos">{{cita|Anastopoulos|pp. 261-262|anastopoulos}}.</ref>

L'evoluzione temporale della funzione d'onda di una particella è descritta dall'[[equazione di Schrödinger]],<ref group="N">La scrittura generale dell'equazione di Schrödinger è:

:: <math>i\hbar\frac{\partial}{\partial t} \Psi(\mathbf{r},\,t) = \hat H \Psi(\mathbf{r},\,t)</math>

dove <math>\Psi(\mathbf{r},\,t)</math> è la [[funzione d'onda]], <math>\scriptstyle \hbar</math> è la [[costante di Planck]] ridotta, cioè divisa per <math>2\pi</math>, ed <math>\scriptstyle \hat H</math> è l'[[operatore hamiltoniano]].</ref> che nel caso di un sistema di elettroni interagenti mostra una probabilità nulla che una coppia di elettroni occupi lo stesso stato quantico: questo fatto è responsabile del [[principio di esclusione di Pauli]], il quale afferma che due elettroni del sistema non possono avere i medesimi numeri quantici. Tale principio è alla base di molte proprietà dei sistemi con molti elettroni, in particolare genera la loro configurazione all'interno degli [[orbitali atomici]].<ref name="munowitz"/>

=== Proprietà relativistiche ===
Quando un elettrone si muove con velocità prossima a quella della luce è necessario ricorrere alla [[teoria della relatività speciale]] per descriverne il moto. Secondo tale teoria, la [[massa relativistica]] dell'elettrone aumenta dal punto di vista di un osservatore esterno, e di conseguenza è necessaria una forza sempre più intensa per mantenere costante l'accelerazione. In questo modo un elettrone non può mai raggiungere la velocità della luce nel vuoto ''c'', essendo richiesta un'energia infinita. Tuttavia, se un elettrone che si muove a una velocità prossima a quella della luce entra in un mezzo dielettrico, per esempio l'[[acqua]], in cui la velocità della luce è significativamente minore di quella dell'elettrone, l'interazione con esso può generare un [[fronte d'onda]] di luce causato dall'[[effetto Čerenkov]]. Tale effetto è simile al [[boom sonico]], che accade quando un oggetto supera la [[velocità del suono]].

[[File:Lorentz factor.svg|thumb|Il fattore di Lorentz in funzione della velocità. Partendo dal valore 1 raggiunge l'infinito quando ''v'' si avvicina a ''c''.]]

L'effetto della relatività speciale è descritto da una quantità nota come [[fattore di Lorentz]], definita da:

:<math>\gamma= \frac {1}{\sqrt{ 1-{v^2}/{c^2}} }</math>

dove <math>v</math> è la velocità della particella e l'energia cinetica <math>K_e</math> associata a un elettrone che si muove con velocità <math>v</math> è:

:<math>\displaystyle K_e = (\gamma - 1)m_e c^2,</math>

dove ''m''e è la massa a riposo dell'elettrone. Per esempio, l'acceleratore lineare di Stanford ([[SLAC]]) può accelerare un elettrone a circa 51 GeV.<ref>{{cita web|url=http://www2.slac.stanford.edu/vvc/theory/relativity.html|titolo=Special Relativity|editore=slac.stanford.edu|accesso=5 aprile 2010|lingua=en|dataarchivio=28 agosto 2008|urlarchivio=https://web.archive.org/web/20080828113927/http://www2.slac.stanford.edu/VVC/theory/relativity.html|urlmorto=sì}}</ref> Questo fornisce un valore per <math>\gamma</math> vicino a 100 000, dal momento che la massa a riposo dell'elettrone è circa 0,51 MeV/''c''2. La [[Quantità di moto#Quantità di moto in meccanica relativistica|quantità di moto relativistica]] è 100 000 volte la quantità di moto dell'elettrone prevista dalla meccanica classica alla stessa velocità.<ref group="N">Risolvendo per la velocità dell'elettrone, e usando l'approssimazione di grandi <math>\gamma</math>, si ottiene:
:<math>\begin{alignat}{2}
v & = c\sqrt{1\ - \gamma^{-2}} \\
& \approx c\left(1 - 0.5 \gamma^{-2}\right) \\
& = 0.999\,999\,999\,95\,c. \\
\end{alignat}</math></ref>

Dal momento che l'elettrone ha anche un comportamento ondulatorio, a una data velocità esso ha una caratteristica [[Ipotesi di de Broglie|lunghezza d'onda di de Broglie]]. Questa è data da ''λ''e = ''h''/''p'' dove ''h'' è la [[costante di Planck]] e ''p'' è la quantità di moto.<ref name="de_broglie"/> Per un elettrone con energia di 51 GeV, come quelle raggiunte dall'acceleratore SLAC, la lunghezza d'onda è di circa {{M|2,4|e=−17|ul=m}}, piccola a sufficienza per esplorare la scala infinitesima del nucleo atomico e dei protoni.<ref>{{cita|Adams|p. 215.|adams}}</ref>

=== Proprietà quantistiche relativistiche ===
{{vedi anche|Elettrodinamica quantistica|Rinormalizzazione|Particella virtuale}}
[[File:Virtual pairs near electron.png|thumb|left|Rappresentazione schematica della creazione di coppie virtuali elettrone-positrone, che compaiono casualmente nell'intorno di un elettrone, rappresentato in basso a sinistra. La creazione di queste coppie virtuali è responsabile dell'effetto di schermo che agisce sulla carica dell'elettrone.]]

La [[teoria quantistica dei campi]] interpreta i fenomeni di interazione fra gli elettroni e la radiazione elettromagnetica in termini di scambi di particelle generate nel vuoto dalle fluttuazioni quantistiche. Ad esempio, secondo l'[[elettrodinamica quantistica]], gli elettroni e il campo elettromagnetico interagiscono fra loro puntualmente tramite lo scambio di fotoni e [[Particella virtuale|particelle virtuali]] aventi vita breve e non direttamente osservabili. Le fluttuazioni quantistiche creano continuamente nel vuoto coppie di particelle virtuali, fra le quali vi sono l'elettrone e il positrone, che si annichilano in breve tempo senza poter essere misurate effettivamente.<ref>{{cita web|url=http://www.scientificamerican.com/article.cfm?id=are-virtual-particles-rea&topicID=13|titolo=Are virtual particles really constantly popping in and out of existence? Or are they merely a mathematical bookkeeping device for quantum mechanics?|autore=Gordon Kane|data=9 ottobre 2006|accesso=9 aprile 2010|urlarchivio=https://web.archive.org/web/20110810205106/http://www.scientificamerican.com/article.cfm?id=are-virtual-particles-rea&topicID=13|urlmorto=sì}}</ref> In base al [[principio di indeterminazione di Heisenberg]], la variazione dell'energia necessaria a produrre la coppia di particelle e la loro vita media non si possono conoscere contemporaneamente,<ref group="N">Nello specifico si ha che Δ''E''·Δ''t'' ≥ ''ħ''</ref><ref>{{cita|Taylor|p. 464.|taylor}}</ref> tuttavia se la vita media è estremamente breve l'incertezza riguardo all'energia è molto ampia, e il processo e la fluttuazione possono avvenire senza violare la conservazione dell'energia.

La presenza delle particelle virtuali, sebbene non direttamente osservabile, è responsabile tuttavia della differenza delle caratteristiche dell'elettrone al variare della scala di energie dei processi in cui è coinvolto.<ref>{{cita web|autore=John Gribbin|data=25 gennaio 1997|titolo=More to electrons than meets the eye|url=https://www.newscientist.com/article/mg15320662.300-science--more-to-electrons-than-meets-the-eye.html|accesso=9 aprile 2010}}</ref> Le correzioni virtuali sono all'origine di correzioni divergenti di tipo logaritmico della massa dell'elettrone rispetto al valore nominale classico.<ref>{{cita conferenza|nome=Hitoshi|cognome=Murayama|titolo=Supersymmetry Breaking Made Easy, Viable and Generic|conferenza=Proceedings of the XLIInd Rencontres de Moriond on Electroweak Interactions and Unified Theories
|data= 10–17 marzo 2006|città=[[La Thuile (Italia)|La Thuile]]|id={{arXiv|0709.3041}}}} </ref> La rimozione di queste divergenze, alla base della teoria della rinormalizzazione, comporta una ridefinizione del concetto di costante fisica, che viene ad assumere nel contesto quantistico un valore differente in base alla scala di osservazione. Per esempio la carica elettrica dell'elettrone non è costante e aumenta lentamente all'aumentare dell'energia dei processi in cui è coinvolto.<ref>{{cita pubblicazione|autore=Mohr|coautori= Taylor e Newell|titolo=CODATA recommended values of the fundamental physical constants:
2006|p=646|url=http://rmp.aps.org/abstract/RMP/v80/i2/p633_1|anno=2008}}</ref><ref>{{cita libro|autore=Murray Gell-mann|titolo=Murray Gell-mann: Selected Papers|editore=World Scientific Series in 20th Century Physics|pagine=3|ISBN=978-981-283-684-7|url=http://www.worldscibooks.com/physics/7101.html|anno=2010|accesso=23 aprile 2012|urlarchivio=https://web.archive.org/web/20120519182858/http://www.worldscibooks.com/physics/7101.html|dataarchivio=19 maggio 2012|urlmorto=sì}}</ref><ref group="N">La [[costante di struttura fine]] <math>\alpha</math>, che in [[unità naturali]] è legata alla carica elettrica dell'elettrone attraverso la formula:

:<math>\alpha = \frac{e^2}{4\pi}</math>

alle scale di energie dei processi chimici (dell'ordine di decine [[elettronvolt]]), presenta un valore sperimentale pari a circa 1/137, mentre alle scale di energie dell'unificazione [[teoria elettrodebole|elettrodebole]] (dell'ordine di circa 200 [[GeV]]) cresce fino al valore di 1/127.</ref>

Questo importante risultato delle teorie di campo quantistiche può essere interpretato come l'effetto di schermo prodotto dalle particelle virtuali. La presenza di un elettrone isolato permette attraverso il campo elettromagnetico di creare una coppia positrone-elettrone dal vuoto; il positrone virtuale appena creato, di carica positiva, sarà attratto dall'elettrone isolato, mentre l'elettrone virtuale ne sarà respinto. Questo fenomeno produce uno schermo positivo attorno all'elettrone isolato, la cui carica a grande distanza sarà quindi considerevolmente ridotta rispetto a quella a corta distanza. Una particella carica ad alta energia sarà in grado di penetrare lo schermo e per questo motivo entra in interazione con una carica elettrica efficace più alta.<ref>{{cita web|url=http://physics.nist.gov/cuu/Constants/alpha.html|titolo=Current advances: The fine-structure constant and quantum Hall effect |accesso=23 aprile 2012}}</ref> In base a processi analoghi, anche la massa dell'elettrone tende a crescere quando le scale di energie crescono. Questo tipo di comportamento delle costanti fisiche è caratteristico di tutte le teorie che presentano un [[polo di Landau]], come l'elettrodinamica quantistica.<ref>{{cita pubblicazione|autore=M. Göckeler|coautori=R. Horsley, V. Linke, P. Rakow, G. Schierholz, H. Stüben|titolo=Is there a Landau Pole Problem in QED?|url=https://arxiv.org/abs/hep-th/9712244|anno=1997}}</ref>

La mutua interazione fra fotoni e elettroni spiega anche la piccola deviazione dal [[momento magnetico]] intrinseco dell'elettrone dal [[magnetone di Bohr]].<ref name=Hanneke/><ref>{{cita|Schwinger|pp. 416-417|schwinger}}.</ref><ref>{{cita|Huang|pp. 123-125|huang}}.</ref> I fotoni virtuali, responsabili del campo elettrico, possono permettere infatti all'elettrone di avere un moto agitato nell'intorno della sua traiettoria classica,<ref>{{cita|Foldy|pp. 29-36|foldy}}.</ref> che genera l'effetto globale di un moto circolare con una [[precessione]]. Questo moto produce sia lo [[spin]] che il momento magnetico dell'elettrone.<ref name="curtis74"/><ref>{{cita|Sidharth|pp. 497-506|sidharth}}.</ref> Negli atomi, poi, la creazione di fotoni virtuali spiega lo [[spostamento di Lamb]] osservato nelle linee spettrali e il fenomeno del decadimento spontaneo di elettrone da uno stato eccitato a uno di energia inferiore.<ref>{{cita|Genz}}.</ref> Questo tipo di polarizzazione è stata confermata sperimentalmente nel 1997 usando l'acceleratore giapponese TRISTAN.<ref>{{cita|Levine|pp. 424-427|levine}}.</ref>

== Atomi e molecole ==
L'elettrone è responsabile delle proprietà chimiche fondamentali degli [[atomo|atomi]] e delle [[molecola|molecole]]. L'interazione elettromagnetica fra gli elettroni è infatti all'origine dei legami fra gli atomi e della struttura macroscopica della materia, oggetto di studio della [[chimica]] e della [[fisica dello stato solido]].

=== Atomi ===
{{vedi anche|Atomo}}Gli elettroni sono i costituenti fondamentali degli atomi, assieme a [[protone|protoni]] e [[neutrone|neutroni]]. Essi sono confinati nella regione in prossimità del [[nucleo atomico]] e nel caso di un atomo neutro isolato sono in numero pari al [[numero atomico]], cioè al numero di protoni contenuti nel nucleo. Se il numero di elettroni è differente dal numero atomico, l'atomo è detto [[ione]] e possiede una [[carica elettrica]] netta.

Secondo la [[meccanica classica]], un elettrone in moto circolare uniforme attorno al nucleo, essendo accelerato, emetterebbe radiazione elettromagnetica per [[Radiazione di dipolo elettrico|effetto Larmor]], perdendo progressivamente energia e impattando infine sul nucleo. Il collasso degli atomi è smentito dall'osservazione sperimentale della stabilità della [[materia (fisica)|materia]]: per questo motivo il [[modello atomico di Bohr]] è stato introdotto nel [[1913]] per fornire una descrizione semiclassica nella quale un elettrone può muoversi soltanto su alcune determinate orbite non-radiative caratterizzate da precisi valori dell'[[energia]] e del [[momento angolare]]. Nello sviluppo successivo della [[meccanica quantistica]], per rappresentare lo stato degli elettroni nell'atomo, la traiettoria classica è stata sostituita dalla [[funzione d'onda]] nota con il nome di [[orbitale atomico]].

[[File:Hydrogen Density Plots-it.png|thumb|upright=1.3|alt=Tabella in cui in ciascuna cella è disegnata la densità di probabilità con un colore che ne indica il rispettivo valore.|[[Funzione d'onda]] elettronica dei primi orbitali dell'[[atomo di idrogeno]].]]

Ad ogni orbitale è associato uno degli stati energetici degli elettroni che interagiscono con il [[potenziale elettrico]] generato dal nucleo. Il valore della funzione d'onda associata a tali stati è fornito dalla soluzione dell'[[equazione di Schrödinger|equazione d'onda di Schrödinger]], che può essere risolta per l'atomo di idrogeno notando la simmetria radiale del potenziale elettrico indotto dal nucleo. Le soluzioni dell'equazione d'onda sono enumerate da [[numero quantico|numeri quantici]] che assumono un insieme discreto di valori, che rappresentano il valore di aspettazione dell'energia e del momento angolare,<ref>{{cita web|url=http://www.sapere.it/sapere/strumenti/studiafacile/chimica/La-struttura-atomico-molecolare-della-materia-e-il-legame-chimico/La-struttura-dell-atomo/Numeri-quantici-e-livelli-energetici.html|titolo=Numeri quantici e livelli energetici|accesso=17 marzo 2014}}</ref> in particolare:

* il [[numero quantico principale]] ''n'', che definisce il [[livello energetico]] e il numero totale di nodi della funzione d'onda radiale, considerando come nodo anche una superficie sferica a distanza infinita dal nucleo; può assumere valori [[numero intero|interi]] non inferiori a 1;
* il [[numero quantico azimutale]] ''l'', o ''numero quantico angolare'', che definisce il [[Momento angolare orbitale (meccanica quantistica)|momento angolare orbitale]]; può assumere valori interi positivi compresi tra 0 ed ''n-1'' e sulla base di questa osservabile è possibile determinare informazioni circa il numero di nodi non sferici e, indirettamente, sulla simmetria dell'orbitale;
* il [[numero quantico magnetico]] ''ml'', che definisce la componente ''z'' del momento angolare orbitale; può assumere valori interi compresi tra +''l'' e -''l'' ed è responsabile della geometria degli orbitali;
* il [[numero quantico di spin]] ''ms'', associato alla componente z dello spin dell'elettrone; può assumere solo due valori, +1/2 o -1/2 in unità di ħ.

Gli atomi con più elettroni richiedono una descrizione degli stati più complessa di quella dell'[[atomo di idrogeno]], in quanto è necessaria l'introduzione di approssimazioni a causa dell'impossibilità di risolvere esattamente l'equazione di Schrödinger per via analitica. Le approssimazioni più utilizzate sono il [[metodo di Hartree-Fock]], che sfrutta la possibilità di scrivere la funzione d'onda degli elettroni come un [[determinante di Slater]], l'[[accoppiamento di Russell-Saunders]] e l'[[accoppiamento jj]], che invece riescono ad approssimare l'effetto dovuto all'[[interazione spin-orbita]] nel caso di nuclei rispettivamente leggeri (con numero atomico minore di 30) e pesanti.

Per il [[principio di esclusione di Pauli]], due o più elettroni non possono trovarsi nel medesimo stato, cioè non possono essere descritti dai medesimi numeri quantici. Questo fatto determina la [[principio dell'Aufbau|distribuzione degli elettroni]] negli orbitali. Gli orbitali sono occupati dagli elettroni in modo crescente rispetto all'energia. Lo stato di momento angolare è definito dal numero quantico azimutale ''l''; dove il quadrato del valore assoluto del momento angolare è <math>l(l+1)\hbar^2</math>. Il numero quantico magnetico può assumere valori interi compresi tra -''l'' e +''l'': il numero di tali valori è il numero delle coppie di elettroni, con valore di spin opposto, che possiedono il medesimo numero quantico azimutale. Ad ogni livello energetico corrisponde un numero crescente di possibili valori del numero quantico azimutale, a ogni valore del numero quantico azimutale corrispondono ''2l + 1'' valori di ''ml'', e a ogni valore di ''ml'' corrispondono i due valori possibili di spin.

All'interno della nuvola elettronica è possibile che un elettrone effettui una transizione da un orbitale a un altro principalmente attraverso l'emissione o l'assorbimento di [[fotone|fotoni]] (cioè di quanti di energia<ref>{{cita|Mulliken|pp. 13-24|mulliken}}.</ref>), ma anche in seguito alla collisione con altre particelle o tramite l'[[effetto Auger]].<ref>{{cita|Burhop|pp. 2-3|burhop}}.</ref> Quando un elettrone acquista un'energia pari alla differenza di energia con uno stato non occupato all'interno degli orbitali, esso effettua una transizione in tale stato. Una delle applicazioni più importanti di tale fenomeno è l'[[effetto fotoelettrico]], in cui l'energia fornita da un fotone è tale da separare l'elettrone dall'atomo.<ref name="grupen">{{cita conferenza|cognome=Grupen|nome=Claus|titolo=Physics of Particle Detection|conferenza=AIP Conference Proceedings, Instrumentation in Elementary Particle Physics, VIII|pagine=3-34|volume=536|editore=Dordrecht, D. Reidel Publishing Company|data=28 giugno – 10 luglio, 1999|città=Istanbul|doi=10.1063/1.1361756}}</ref> Inoltre, dal momento che l'elettrone è carico, il suo moto attorno al nucleo, che in una descrizione semiclassica è [[Moto circolare#Moto circolare uniforme|circolare uniforme]], produce un [[momento di dipolo magnetico]] proporzionale al momento angolare orbitale. Il momento magnetico totale di un atomo è equivalente alla somma vettoriale dei momenti di dipolo magnetici e di spin di tutti i suoi elettroni e dei costituenti del nucleo. Il momento magnetico dei costituenti del nucleo è tuttavia trascurabile rispetto a quello degli elettroni.<ref>{{cita|Jiles|pp. 280-287|jiles}}.</ref> L'interazione tra il momento di dipolo magnetico e il momento di spin è descritto dall'[[interazione spin-orbita]], mentre l'interazione con un campo magnetico esterno è descritta dai limiti di [[Effetto Paschen-Back|Paschen-Back]] e [[Effetto Zeeman|Zeeman]], a seconda che l'interazione spin-orbita sia rispettivamente trascurabile o meno rispetto al campo applicato.

=== Molecole e composti ionici ===
{{vedi anche|Molecola}}
Nelle molecole gli atomi sono uniti dal [[legame chimico]] [[legame covalente|covalente]], in cui uno o più elettroni sono condivisi fra due o più atomi.<ref>{{cita|Löwdin, Brändas e Kryachko|pp. 393-394|olov}}.</ref> In una molecola gli elettroni si muovono sotto l'influenza attrattiva dei nuclei e il loro stato è descritto da orbitali molecolari, più grandi e complessi di quelli di un atomo isolato, che in prima approssimazione si possono ottenere attraverso la sommatoria di più orbitali degli atomi considerati singolarmente.<ref>{{cita|McQuarrie e Simon|pp. 280-287|mcQuarrie}}.</ref> Differenti orbitali molecolari hanno differenti distribuzioni spaziali di densità di probabilità: nel caso di una molecola costituita da due atomi, per esempio, gli elettroni che ne formano l'eventuale legame si troveranno con maggiore probabilità in una ristretta regione posta fra i due nuclei.<ref>{{cita|Daudel|pp. 1310-1320|daudel}}.</ref>

Un [[composto ionico]] può essere definito come un [[composto chimico]] formato da [[ione|ioni]], aventi ciascuno una carica elettrica positiva o negativa, ma l'insieme di tali ioni ha carica elettrica complessiva neutra. Alla base dei composti ionici vi è il [[legame ionico]], di natura [[elettrostatica]], che si forma quando le caratteristiche chimico-fisiche dei due atomi sono nettamente differenti e vi è una notevole differenza di [[elettronegatività]]. Per convenzione si suole riconoscere un legame ionico tra due atomi quando la differenza di elettronegatività Δχ è maggiore di 1,9. Al diminuire di tale differenza cresce il carattere covalente del legame.

== Interazione con le forze fondamentali ==
L'elettrone genera un [[campo elettrico]] che esercita una forza attrattiva su particelle con una carica positiva (come il protone) e una forza repulsiva su particelle con carica negativa. L'intensità di tale forza è determinata dalla [[legge di Coulomb]]. Un elettrone in movimento genera un [[campo magnetico]]: tale proprietà prende il nome di "[[induzione elettromagnetica]]" ed è responsabile ad esempio della generazione del campo magnetico che permette il funzionamento del [[motore elettrico]].<ref>{{cita|Crowell|pp. 129-152|crowell}}.</ref> Tramite la [[legge di Ampère]] tale movimento rispetto all'osservatore può essere messo in relazione al campo magnetico generato. In generale, i campi elettrici e magnetici prodotti da cariche o correnti elettriche sono calcolati risolvendo le [[equazioni di Maxwell]]. Il campo elettromagnetico di una particella carica in movimento è espresso tramite il [[potenziale di Liénard-Wiechert]], anche quando la velocità della particella è prossima a quella della luce.

[[File:Lorentz force.svg|thumb|Una particella con carica ''q'' (a sinistra) si muove con velocità ''v'' in un campo magnetico ''B'' uniforme che è diretto verso l'osservatore. Per un elettrone ''q'' è negativo, perciò segue una traiettoria diretta verso l'alto.]]
Quando un elettrone è in moto in corrispondenza di un campo magnetico è soggetto alla [[forza di Lorentz]], la quale esercita una variazione della componente della velocità dell'elettrone perpendicolare al piano definito dal campo magnetico e dalla velocità iniziale dell'elettrone e la [[forza centripeta]] che viene generata costringe l'elettrone a seguire una traiettoria [[Moto elicoidale uniforme|elicoidale]]. L'accelerazione che deriva da questo moto curvilineo, nel caso di velocità relativistiche, causa una radiazione di energia da parte dell'elettrone sotto forma di [[radiazione di sincrotrone]].<ref>{{cita|Munowitz|p. 160.|munowitz}}</ref><ref>{{cita|Mahadevan, Narayan e Yi|pp. 327-337|mahadevan}}.</ref><ref group="N">La radiazione proveniente da elettroni non relativistici è a volte chiamata [[radiazione di ciclotrone]].</ref> L'emissione di energia causa a sua volta un [[rinculo]] dell'elettrone, conosciuto come [[forza di Abraham-Lorentz-Dirac]], che rallenta il moto dell'elettrone; questa forza è generata da un effetto di [[retroazione]] del campo dell'elettrone su sé stesso.<ref>{{cita|Rohrlich|pp. 1109-1112|rohrlich}}.</ref>

In [[elettrodinamica quantistica]], l'interazione elettromagnetica tra le particelle è trasmessa dai [[fotoni]]: un elettrone isolato nello spazio vuoto che non subisce un'accelerazione non è in grado di emettere o di assorbire un fotone reale, poiché così facendo violerebbe le leggi di [[Legge di conservazione dell'energia|conservazione dell'energia]] e della [[Legge di conservazione della quantità di moto|quantità di moto]]. Invece i fotoni virtuali possono trasferire la quantità di moto tra due particelle cariche ed è questo scambio di fotoni virtuali che genera, per esempio, la forza di Coulomb.<ref>{{cita|Georgi|p. 427.|georgi}}</ref> L'emissione di energia può avvenire quando un elettrone viene deviato da una particella carica, come per esempio un protone; l'accelerazione dell'elettrone porta all'emissione della radiazione di frenamento o ''[[bremsstrahlung]]''.<ref>{{cita|Blumenthal|pp. 237-270|blumenthal}}.</ref>
[[File:Bremsstrahlung.svg|thumb|left|La ''bremsstrahlung'' è prodotta dall'elettrone ''e'' deviato da un campo elettrico prodotto da un nucleo atomico. La variazione di energia ''E''2 − ''E''1 determina la frequenza ''f'' del fotone emesso.]]

Una [[Urto anelastico|collisione anelastica]] tra un fotone e un elettrone libero produce l'[[effetto Compton]]: questo urto è associato a un trasferimento dell'energia e della [[quantità di moto]] tra le particelle, che porta alla variazione della lunghezza d'onda del fotone incidente.<ref group="N">Il cambiamento della lunghezza d'onda Δ''λ'' dipende dall'angolo di rinculo ''θ'' dalla seguente relazione:
:<math>\textstyle \Delta \lambda = \frac{h}{m_ec} (1 - \cos \theta),</math>
dove ''c'' è la velocità della luce nel vuoto e ''m''e la massa dell'elettrone.</ref> Il valore massimo di questa variazione della lunghezza d'onda è ''h''/''m''ec ed è noto come [[lunghezza d'onda Compton]] e per l'elettrone vale {{M|2,43|e=−12|ul=m}}.<ref>{{cita web|url=http://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?ecomwl|titolo=Compton wavelength λc|editore=physics.nist.gov|accesso=11 aprile 2010|lingua=en}}</ref> Se la lunghezza d'onda della luce incidente è sufficientemente lunga (come ad esempio quella della [[luce visibile]], che ha una lunghezza d'onda che va da {{M|0,4|e=−6}} a {{M|0,7|e=−6|ul=m}}), la variazione della lunghezza d'onda dovuta all'effetto Compton diventa trascurabile e l'interazione tra radiazione e particelle può essere descritta tramite lo [[scattering Thomson]].<ref>{{cita|Chen, Maksimchuk e Umstadter|pp. 653-655|blumenthal}}.</ref>

La forza dell'interazione elettromagnetica tra due particelle cariche è data dalla [[costante di struttura fine]] α che è una quantità adimensionale formata dal rapporto di due contributi energetici: l'energia elettrostatica di attrazione o repulsione data dalla separazione di una lunghezza d'onda Compton e dall'energia a riposo della carica. Il suo valore è {{M|7,297353|e=−3}}, che è possibile approssimare con la frazione 1/137.<ref>{{cita web|url=http://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?alph|titolo=Fine-structure constant α|editore=physics.nist.gov|accesso=11 aprile 2010|lingua=en}}</ref>

Quando elettroni e positroni collidono si [[Annichilazione|annichilano]] l'un l'altro, originando due o più fotoni dei [[raggi gamma]]. Se invece la quantità di moto dell'elettrone e del positrone è trascurabile si può formare il [[positronio]] prima che il processo di annichilamento porti alla formazione di due o tre fotoni dei raggi gamma con un'energia totale di {{M|1.022|u=MeV}}.<ref>{{cita|Beringer e Montgomery|pp. 222-224|beringer}}.</ref><ref>{{cita|Wilson e Buffa|p. 888.|wilson2}}</ref> D'altra parte i fotoni molto energetici possono trasformarsi in un elettrone e in un positrone tramite un processo chiamato [[produzione di coppia]], ma questo avviene solo in presenza di una particella carica nelle vicinanze, come un nucleo atomico.<ref>{{cita|Eichler|pp. 67-72|eichler}}.</ref><ref>{{cita|Hubbell|pp. 614-623|hubbell}}.</ref>

Nella teoria dell'[[interazione elettrodebole]] la componente sinistrorsa della funzione d'onda dell'elettrone forma un doppietto di [[isospin debole]] con il [[neutrino elettronico]], cioè a causa dell'interazione elettrodebole il neutrino si comporta come un elettrone. Ciascuna componente di questo doppietto può subire l'interazione della [[Interazione debole|corrente debole carica]] tramite l'emissione o l'assorbimento di un [[bosone W]] e può essere trasformata nell'altra componente. La carica è conservata durante questo processo poiché anche il bosone W porta una carica che annulla ogni variazione netta durante la reazione. Le interazioni della corrente debole carica sono responsabili del [[decadimento beta]] negli atomi [[radioattività|radioattivi]]. Sia l'elettrone che il neutrino possono subire l'interazione della [[corrente debole neutra]] tramite uno scambio di [[bosone Z|bosoni Z]] e questo è responsabile dello [[scattering elastico]] tra elettrone e neutrino.<ref>{{cita conferenza|cognome=Quigg|nome=Chris|titolo=The Electroweak Theory|conferenza=TASI 2000: Flavor Physics for the Millennium
|pagine=80|editore=arXiv|data=4-30 giugno 2000|città=[[Boulder (Colorado)|Boulder]]|id={{arXiv|hep-ph|0204104v1}}}}</ref>

== Elettroni nei corpi macroscopici ==

[[File:Lightning over Oradea Romania cropped.jpg|thumb|alt=Four bolts of lightning strike the ground|Un [[fulmine]] consiste principalmente in un flusso di elettroni.<ref>{{cita libro
|autore=Rakov, Vladimir A.; Uman, Martin A.
|titolo=Lightning: Physics and Effects|pagina=4
|editore=Cambridge University Press|anno=2007
|url=http://books.google.com/books?id=TuMa5lAa3RAC&pg=PA4|isbn=0-521-03541-4}}</ref> Il potenziale elettrico necessario per il lampo deve essere generato dall'[[effetto triboelettrico]].<ref>{{Cita pubblicazione
|cognome=Freeman|nome=Gordon R.
|titolo=Triboelectricity and some associated phenomena
|url=https://archive.org/details/sim_materials-science-and-technology_1999-12_15_12/page/1454|rivista=Materials science and technology
|anno=1999|volume=15|numero=12
|pp=1454-1458}}</ref><ref>{{cita pubblicazione
|autore=Keith M. Forward
|coautori=Daniel J. Lacks; R. Mohan Sankaran
|titolo=Methodology for studying particle–particle triboelectrification in granular materials
|rivista=Journal of Electrostatics
|anno=2009|volume=67|numero=2-3|pp=178-183|doi=10.1016/j.elstat.2008.12.002}}</ref>]]

Se un [[Corpo (fisica)|corpo]] ha un numero di elettroni maggiore o minore rispetto a quelli necessari per bilanciare la carica positiva dei nuclei, esso presenterà una [[carica elettrica]] netta: nel caso di un eccesso di elettroni, il corpo è carico negativamente, mentre nel caso di un difetto di elettroni, il corpo è carico positivamente; se invece il numero di elettroni e il numero di protoni sono uguali, le loro cariche si annullano a vicenda e il corpo è dunque elettricamente neutro. Un corpo macroscopico può sviluppare una carica elettrica ad esempio attraverso lo sfregamento, per via dell'[[effetto triboelettrico]].<ref>{{cita libro
|cognome=Weinberg|nome=Steven|anno=2003
|titolo=The Discovery of Subatomic Particles
|editore=Cambridge University Press|pagine=15–16
|url=http://books.google.com/books?id=tDpwhp2lOKMC&pg=PA15|isbn=0-521-82351-X}}</ref>

Gli elettroni indipendenti che si muovono nel vuoto sono detti ''elettroni liberi'' e anche gli elettroni nei metalli hanno un comportamento simile a quelli liberi. Il flusso di carica elettrica dovuto al moto degli elettroni liberi o in un materiale è detto [[corrente elettrica]]. I materiali sono classificati in base alla [[resistenza elettrica|resistenza]] che oppongono al passaggio di corrente: si dividono in [[Conduttore elettrico|conduttori]], [[semiconduttore|semiconduttori]] e [[dielettrici]].

In generale, ad una data temperatura, ciascun materiale ha una [[conducibilità elettrica]] che determina il valore della corrente quando è applicato un [[potenziale elettrico]]. Esempi di buoni conduttori, cioè materiali capaci di far scorrere facilmente al proprio interno [[elettricità]], sono i metalli come il [[rame]] e l'[[oro]], mentre vetro e [[plastica]] sono cattivi conduttori. I metalli sono spesso anche buoni conduttori di calore. Nonostante questo, al contrario della conducibilità elettrica, la conducibilità termica è quasi indipendente dalla temperatura; ciò è espresso matematicamente dalla [[legge di Wiedemann-Franz]],<ref name="ziman" /> la quale afferma che il rapporto fra la [[conduttività termica]] e la conduttività elettrica è proporzionale alla temperatura.

=== Cristalli e struttura a bande ===
Le proprietà di conduzione di un [[cristallo|solido cristallino]] sono determinate dagli stati quantistici degli elettroni, la cosiddetta [[struttura elettronica a bande]]. Nel caso di [[solido amorfo|solidi amorfi]], cioè senza struttura cristallina, la descrizione è più complessa.

Nei solidi cristallini gli atomi sono disposti regolarmente in un [[reticolo di Bravais|reticolo]]. La simmetria di tale distribuzione spaziale permette di semplificare il calcolo degli [[stato quantico|stati]] energetici degli elettroni nel cristallo e ricavare la struttura a bande. Con questa descrizione è possibile approssimare il comportamento degli elettroni nei solidi con quello di elettroni liberi, ma con una diversa massa, detta [[massa efficace]].<ref name="Liang-fu Lou">{{cita libro|cognome=Lou|nome=Liang-fu|titolo=Introduction to phonons and electrons|url=http://books.google.com/books?id=XMv-vfsoRF8C&pg=PA162|anno=2003|editore=World Scientific|pagine=162,164|isbn=978-981-238-461-4}}</ref> Un elettrone all'interno di un reticolo cristallino è descritto da una [[funzione d'onda]] detta [[funzione di Bloch]], alla quale è associato un vettore detto ''quasi-impulso'' o ''impulso cristallino'', che è l'analogo della [[quantità di moto]] per gli elettroni liberi. L'analogia con gli elettroni liberi è particolarmente adeguata per alcuni valori di impulso cristallino, per i quali si ha una [[relazione di dispersione]] quadratica, come nel caso libero.<ref>{{cita web|titolo=Electrons in Crystals |url=http://www.eng.fsu.edu/~dommelen/quantum/style_a/emc.html|accesso=13 aprile 2012|lingua=en}}</ref>

Nei solidi gli elettroni sono trattati come [[quasiparticella|quasiparticelle]] poiché, a causa dell'interazione reciproca e con gli atomi del reticolo, assumono delle proprietà diverse da quelle degli elettroni liberi. Inoltre, nei solidi si introduce una quasiparticella, detta [[lacuna (fisica)|lacuna]], che descrive la "mancanza" di un elettrone. Tale particella ha una sua massa efficace ed ha carica positiva, uguale in valore assoluto a quella dell'elettrone.

[[File:Struttura elettronica a bande-Metallo Semiconduttore Isalante-.png|thumb|upright=1.6| Schema semplificato della struttura elettronica a bande per metalli, semiconduttori e isolanti.]]
Nei materiali isolanti gli elettroni rimangono confinati in prossimità dei loro rispettivi nuclei. Al contrario, i [[metallo|metalli]] hanno una struttura elettronica a bande, alcune delle quali sono parzialmente riempite dagli elettroni. La presenza di queste bande permette agli elettroni nei metalli di muoversi come elettroni liberi o delocalizzati; essi non sono associati a uno specifico atomo e quindi, quando è applicato un campo elettrico, si muovono liberamente come un gas, chiamato [[gas di Fermi]].<ref name="ziman">{{cita libro
|nome=J. M.|cognome=Ziman|anno=2001|titolo=Electrons and Phonons: The Theory of Transport Phenomena in Solids
|editore=Oxford University Press|pagina=260
|isbn=0-19-850779-8|url=http://books.google.com/books?id=UtEy63pjngsC&pg=PA260}}</ref>
Un'altra categoria di materiali è quella dei [[semiconduttori]], in cui la conducibilità può variare di molto fra i valori estremi di conduzione e isolante.<ref>{{cita libro
|nome=M. K.|cognome=Achuthan|coautori=Bhat, K. N.
|titolo=Fundamentals of Semiconductor Devices
|anno=2007|editore=Tata McGraw-Hill|pagine=49–67
|url=http://books.google.com/books?id=REQkwBF4cVoC&pg=PA49|isbn=0-07-061220-X}}</ref>

A causa delle collisioni fra elettroni e atomi la [[velocità di deriva]] degli elettroni in un conduttore è dell'ordine di pochi millimetri per secondo. Ciò nonostante, la velocità di propagazione di un segnale elettrico, cioè la velocità con la quale si propaga la variazione di corrente in un conduttore, è tipicamente di circa il 75% della velocità della luce.<ref>{{Cita pubblicazione
|cognome=Main|nome=Peter|data=12 giugno 1993
|titolo=When electrons go with the flow: Remove the obstacles that create electrical resistance, and you get ballistic electrons and a quantum surprise
|rivista=New Scientist|volume=1887|pagina=30|url=https://www.newscientist.com/article/mg13818774.500-when-electrons-go-with-the-flow-remove-the-obstacles-thatcreate-electrical-resistance-and-you-get-ballistic-electrons-and-a-quantumsurprise.html
|accesso=9 ottobre 2008}}</ref> Questo accade perché i segnali elettrici si propagano come onde, con una velocità dipendente dalla [[costante dielettrica]] del materiale.<ref>{{cita libro
|nome=Glenn R.|cognome=Blackwell|anno=2000
|titolo=The Electronic Packaging Handbook
|pp =6.39–6.40
|editore=CRC Press|isbn=0-8493-8591-1|url=http://books.google.com/books?id=D0PBG53PQlUC&pg=SA6-PA39}}</ref>

Il disordine termico nel reticolo cristallino del metallo causa un aumento della [[resistività]] del materiale, producendo quindi la dipendenza dalla temperatura per la corrente elettrica.<ref name="durrant">{{cita libro
|autore=Durrant|anno=2000|isbn=0-7503-0721-8
|titolo=Quantum Physics of Matter: The Physical World
|pp =43, 71–78|editore=CRC Press|url=http://books.google.com/books?id=F0JmHRkJHiUC&pg=PA43}}</ref>

=== Superconduttività ===
Quando alcuni materiali sono raffreddati al di sotto di una certa [[temperatura critica]], avviene una [[transizione di fase]] a causa della quale essi perdono la [[resistività elettrica|resistività]] alla corrente elettrica, in un processo noto come [[superconduttività]]. Nella [[teoria BCS]], gli elettroni sono legati in coppie che entrano in uno stato quantistico noto come [[condensato di Bose-Einstein]]. Tali coppie, dette [[coppie di Cooper]], si accoppiano nel loro moto per mezzo delle vibrazioni di reticolo chiamate [[fonone|fononi]], evitando le collisioni con gli atomi che normalmente causano la resistività elettrica<ref>{{Cita web
|autore=Staff|anno=2008|url=https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1972/
|titolo=The Nobel Prize in Physics 1972
|editore=The Nobel Foundation
|accesso=13 ottobre 2008}}</ref> (le coppie di Cooper hanno un raggio di circa {{M|100|ul=nm}}, quindi si possono scavalcare a vicenda).<ref>{{Cita pubblicazione
|cognome=Kadin|nome=Alan M.
|titolo=Spatial Structure of the Cooper Pair
|rivista=Journal of Superconductivity and Novel Magnetism
|anno=2007|volume=20|numero=4|pp=285-292|id={{arXiv|cond-mat|0510279}}
|doi=10.1007/s10948-006-0198-z}}</ref> La teoria BCS non descrive tutti i materiali superconduttori, e non esiste ancora un modello teorico in grado di spiegare completamente la [[superconduttività ad alte temperature]].

=== Altri effetti ===
Gli elettroni all'interno dei solidi conduttivi, che sono a loro volta trattati come quasi-particelle, quando sono strettamente confinati intorno a temperature vicine alle [[zero assoluto]] si comportano globalmente come due nuove differenti quasi-particelle: gli [[spinone (fisica)|spinoni]] e gli [[olone (fisica)|oloni]].<ref>{{Cita web
|url=https://www.sciencedaily.com/releases/2009/07/090730141607.htm
|titolo=Discovery About Behavior Of Building Block Of Nature Could Lead To Computer Revolution
|data=31 luglio 2009|sito=ScienceDaily.com
|accesso=1º agosto 2009
}}</ref><ref>{{Cita pubblicazione
|cognome=Jompol|nome=Yodchay
|data=31 luglio 2009|titolo=Probing Spin-Charge Separation in a Tomonaga-Luttinger Liquid
|rivista=Science|volume=325|numero=5940
|pp=597-601
|doi=10.1126/science.1171769
|url=https://www.sciencemag.org/cgi/content/abstract/325/5940/597|accesso=1º agosto 2009
|pmid=19644117
|cognome2=Ford
|nome2=CJ
|cognome3=Griffiths
|nome3=JP
|cognome4=Farrer
|nome4=I
|cognome5=Jones
|nome5=GA
|cognome6=Anderson
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|cognome7=Ritchie
|nome7=DA
|cognome8=Silk
|nome8=TW
|cognome9=Schofield
|nome9=AJ}}</ref> Il primo trasporta spin e momento magnetico, mentre il secondo la carica elettrica. Gli elettroni possono, secondo la teoria di [[Eugene Paul Wigner]], formare essi stessi una struttura cristallina, disponendosi nei punti di un reticolo. Tale stato della materia è detto [[cristallo di Wigner]].

== Formazione ==
[[File:Produzione di coppia.svg|thumb|[[Produzione di coppia]] causata dalla collisione di un fotone con un nucleo atomico.]]
Per spiegare gli istanti iniziali dell'evoluzione dell'universo è stata sviluppata la teoria del [[Big Bang]], che è la più accettata dalla comunità scientifica.<ref>{{cita libro|autore=Paul F. Lurquin|anno=2003|titolo=The Origins of Life and the Universe|url=https://archive.org/details/originsoflifet00paul|pagina=2|editore=Columbia University Press|isbn=0-231-12655-7}}</ref> Nel primo millisecondo dell'esistenza dell'universo noto, la temperatura era di circa un miliardo di [[kelvin]] e i fotoni avevano un'energia media nell'ordine del milione di [[elettronvolt]]; questi fotoni erano sufficientemente energetici da poter reagire l'un l'altro per formare coppie di elettroni e positroni:
:<math>\gamma + \gamma \leftrightharpoons \mathrm e^{+} + \mathrm e^{-},</math>
dove <math>\gamma</math> è il fotone, <math>e^{+}</math> è il positrone e <math>e^{-}</math> è l'elettrone. Contemporaneamente le coppie elettrone-positrone si annichilivano e producevano fotoni energetici. I due processi erano in equilibrio durante la prima fase di evoluzione dell'universo, ma dopo 15 secondi la temperatura dell'universo calò sotto la soglia di formazione delle coppie di elettroni-positroni. La maggior parte degli elettroni e positroni rimasti si annichilirono e produssero [[raggi gamma]] che in breve tempo irradiarono l'universo.<ref>{{cita libro|autore=Joseph Silk|anno=2000|titolo=The Big Bang: The Creation and Evolution of the Universe|edizione=3|pagine=110–112, 134–137|editore=Macmillan|isbn=0-8050-7256-X}}</ref>

Per ragioni non ancora ben comprese, durante il processo di [[leptogenesi]] vi era un numero maggiore di elettroni rispetto a quello dei positroni,<ref>{{cita pubblicazione|autore=Vic Christianto|anno=2007|titolo=Thirty Unsolved Problems in the Physics of Elementary Particles|rivista=Progress in Physics|volume=4|pp=112-114|url=http://www.ptep-online.com/index_files/2007/PP-11-16.PDF|urlarchivio=https://web.archive.org/web/20080910175108/http://www.ptep-online.com/index_files/2007/PP-11-16.PDF|urlmorto=sì}}</ref> perciò circa un elettrone ogni miliardo sopravvisse durante il processo di annichilazione. Questo eccesso era analogo a quello dei protoni sugli [[Antiprotone|antiprotoni]], in una condizione nota come [[asimmetria barionica]], perciò la carica netta presente nell'universo risultava nulla.<ref>{{cita pubblicazione|cognome=Kolb|nome=Edward W.|titolo=The Development of Baryon Asymmetry in the Early Universe|rivista=Physics Letters B|data=7 aprile 1980|volume=91|numero=2|pp=217-221|doi=10.1016/0370-2693(80)90435-9}}</ref><ref>{{cita web|url=http://www.slac.stanford.edu/pubs/beamline/26/1/26-1-sather.pdf|titolo=The Mystery of Matter Asymmetry|autore=Eric Sather|data=1996|accesso=12 aprile 2010}}</ref> I protoni e i neutroni superstiti iniziarono a interagire nel processo della [[nucleosintesi primordiale]], durato fino a circa 5 minuti dopo l'istante iniziale, in cui si assistette alla formazione dei nuclei degli isotopi di [[idrogeno]], [[elio (elemento)|elio]] e in minima parte [[litio]].<ref>{{cita web|autore=Scott Burles|coautori=Kenneth M. Nollett; Michael S. Turner|url=https://arxiv.org/abs/astro-ph/9903300|titolo=Big-Bang Nucleosynthesis: Linking Inner Space and Outer Space|data=19 marzo 1999|editore=arXiv, University of Chicago|accesso=12 aprile 2010}}</ref> I neutroni rimasti subirono il [[decadimento beta]], con una vita media di circa quindici minuti, con la formazione di un protone, un elettrone e un antineutrino:
:<math>\mathrm n \Rightarrow \mathrm p + \mathrm e^{-} + \bar{\mathrm \nu}_\mathrm e,</math>
dove <math>n</math> è il neutrone, <math>p</math> è il protone e <math>\bar{\mathrm \nu}_\mathrm e</math> è l'antineutrino elettronico. Per i successivi {{formatnum:300000}}-{{formatnum:400000}} anni gli elettroni liberi erano troppo energetici per legarsi ai nuclei atomici;<ref>{{cita pubblicazione|cognome=Boesgaard|nome=A.M.|coautori=G. Steigman|titolo=Big bang nucleosynthesis – Theories and observations|rivista=[[Annual Review of Astronomy and Astrophysics]]|anno=1985|volume=23|numero=2|pp=319-378|url=http://adsabs.harvard.edu/cgi-bin/bib_query?1985ARA%26A..23..319B|doi=10.1146/annurev.aa.23.090185.001535}}</ref> passato questo periodo, seguì un processo di ricombinazione, in cui gli elettroni si legarono ai nuclei atomici per formare atomi elettricamente neutri e a causa di ciò l'universo divenne trasparente alla radiazione elettromagnetica.<ref name="science5789">{{cita pubblicazione|cognome=Barkana|nome=Rennan|titolo=The First Stars in the Universe and Cosmic Reionization|rivista=[[Science]]|data=18 agosto 2006|volume=313|numero=5789|pp=931-934|url=https://www.sciencemag.org/cgi/content/full/313/5789/931|doi=10.1126/science.1125644|pmid=16917052}}</ref>

Circa un milione di anni dopo il Big Bang, si iniziò a formare la [[Popolazioni stellari|prima generazione di stelle]];<ref name="science5789"/> all'interno di queste stelle, la [[nucleosintesi stellare|nucleosintesi]] portò alla produzione di positroni derivanti dalla fusione di nuclei atomici e queste particelle di [[antimateria]] si annichilirono immediatamente con gli elettroni formando raggi gamma. Ciò portò a una continua riduzione nel numero di elettroni e a un corrispettivo aumento di neutroni; nonostante questo il processo di [[evoluzione stellare]] portò alla sintesi di isotopi radioattivi i quali potevano decadere con un [[decadimento beta|decadimento di tipo beta]], emettendo in questo modo un elettrone e un antineutrino dal nucleo.<ref>{{cita pubblicazione|autore=E. M. Burbidge|etal=s|anno=1957|titolo=Synthesis of Elements in Stars|rivista=Reviews of Modern Physics|volume=29|numero=4|pp=548-647|doi=10.1103/RevModPhys.29.547|bibcode=1957RvMP...29..547B}}</ref>

[[File:AirShower.svg|left|thumb|Rappresentazione della cascata di particelle dovuta ai raggi cosmici che colpiscono gli strati alti dell'atmosfera terrestre.]]

Alla fine della sua vita, una stella di massa superiore di 20 volte la [[massa solare]] può subire un [[collasso gravitazionale]] e formare un [[buco nero]];<ref>{{cita pubblicazione|autore=C. L. Fryer|anno=1999|titolo=Mass Limits For Black Hole Formation|rivista=[[Astrophysical Journal]]|volume=522|numero=1|pp=413-418|bibcode=1999ApJ...522..413F|doi=10.1086/307647|arxiv=astro-ph/9902315}}</ref> in base alle leggi della [[fisica classica]], questo oggetto stellare massivo esercita un'attrazione gravitazione così grande da impedire a qualsiasi cosa, anche alla radiazione elettromagnetica, di potergli sfuggire una volta che è stato superato il [[raggio di Schwarzschild]]. Si pensa tuttavia che gli effetti quantistici possano permettere l'emissione di una [[radiazione di Hawking]] a tale distanza, infatti si ritiene che sull'[[orizzonte degli eventi]] di questi oggetti vengano prodotte coppie virtuali di elettroni e positroni e quando esse vengono formate in prossimità dell'orizzonte degli eventi, la distribuzione spaziale casuale di queste particelle può permettere a una particella della coppia di apparire all'esterno dell'orizzonte grazie all'[[effetto tunnel]]. Il [[potenziale gravitazionale]] del buco nero può fornire l'energia sufficiente per trasformare la particella virtuale in una particella reale, facendo in modo da diffonderla nello spazio,<ref>{{cita pubblicazione|autore=M. K. Parikh|coautori=F. Wilczek|anno=2000|titolo=Hawking Radiation As Tunneling|rivista=[[Physical Review Letters]]|volume=85|numero=24|pp=5042-5045|doi=10.1103/PhysRevLett.85.5042|pmid=11102182|bibcode=2000PhRvL..85.5042P|arxiv=hep-th/9907001}}</ref> mentre all'altra particella della coppia è stata fornita energia negativa e ciò comporta una perdita netta di energia del buco nero. La velocità della radiazione di Hawking cresce con il diminuire della massa e questo comporta l'evaporazione del buco nero che alla fine esplode.<ref>{{cita pubblicazione|autore=S. W. Hawking|linkautore=Stephen Hawking|anno=1974|titolo=Black hole explosions?|rivista=[[Nature]]|volume=248|pp=30-31|numero=5443doi=10.1038/248030a0|bibcode=1974Natur.248...30H|lingua=en}}</ref>

Un altro modo di formazione degli elettroni è dato dall'interazione dei [[raggi cosmici]] con gli strati alti dell'atmosfera: i raggi cosmici sono particelle che viaggiano nello spazio con energie anche dell'ordine dei {{M|3|e=20|ul=eV}}<ref>{{cita pubblicazione|autore=F. Halzen|coautori=D. Hooper|anno=2002|titolo=High-energy neutrino astronomy: the cosmic ray connection|rivista=Reports on Progress in Physics|volume=66|pp=1025-1078|numero=7|bibcode=2002astro.ph..4527H|doi=10.1088/0034-4885/65/7/201|arxiv=astro-ph/0204527|lingua=en}}</ref> e, quando esse collidono con le particelle presenti nell'alta [[atmosfera terrestre]], vi è la produzione di una cascata di particelle, tra le quali [[pioni]] e [[Muone|muoni]],<ref>{{cita pubblicazione|autore=J. F. Ziegler|titolo=Terrestrial cosmic ray intensities|url=https://archive.org/details/sim_ibm-journal-of-research-and-development_1998-01_42_1/page/117|rivista=IBM Journal of Research and Development|volume=42|numero=1|pp=117-139|doi=10.1147/rd.421.0117|anno=1998|lingua=en}}</ref> con questi ultimi che sono i responsabili di più della metà della radiazione cosmica osservata a Terra. Il decadimento del pione porta alla formazione dei muoni tramite il seguente processo:
:<math>\mathrm \pi^{-} \Rightarrow \mathrm \mu^{-} + \bar{\mathrm \nu}_\mathrm \mu,</math>
mentre a suo volta il muone può decadere formando elettroni:
:<math>\mathrm \mu^{-} \Rightarrow \mathrm e^{-} + \bar{\mathrm \nu}_\mathrm e + {\mathrm \nu}_\mathrm \mu.</math>

== Osservazioni sperimentali ==
[[File:Aurore australe - Aurora australis.jpg|thumb|L'[[aurora polare]] è principalmente causata dagli elettroni energetici che precipitano nell'atmosfera.<ref>{{cita web|autore=Stuart Wolpert|data=24 luglio 2008|titolo=Scientists solve 30-year-old aurora borealis mystery|url=http://www.universityofcalifornia.edu/news/article/18277|accesso=12 aprile 2010|lingua=en|urlmorto=sì|urlarchivio=https://web.archive.org/web/20080817094058/http://www.universityofcalifornia.edu/news/article/18277|dataarchivio=17 agosto 2008}}</ref>]]

Le prime osservazioni degli elettroni come particella, hanno sfruttato fenomeni elettrostatici o la produzione di [[raggi catodici]]. Oggi si eseguono esperimenti in laboratorio in cui vengono osservati elettroni sia per lo studio delle proprietà di queste particelle, sia per studiare le proprietà di corpi macroscopici.

In condizioni di laboratorio, l'interazione di elettroni individuali possono essere osservate con l'uso di [[Rivelatore di particelle|rilevatori di particelle]], che permettono misure precise di specifiche proprietà come energia, spin e carica elettrica<ref>Murayama, Hitoshi (March 10–17, 2006). "Supersymmetry Breaking Made Easy, Viable and Generic". Proceedings of the XLIInd Rencontres de Moriond on Electroweak Interactions and Unified Theories. La Thuile, Italy. [[arXiv]]:[https://arxiv.org/abs/0709.3041 0709.3041]. —lists a 9% mass difference for an electron that is the size of the Planck distance.</ref>. Lo sviluppo della [[trappola ionica quadrupolare]] ha permesso di contenere particelle in piccole regioni dello spazio per lunghi periodi. Questo ha permesso la misura precisa delle proprietà particellari. Per esempio in una misurazione si è riusciti a contenere un singolo elettrone per un periodo di dieci mesi.<ref name="nobel1989">{{Cita web
|autore=Staff|anno=2008|url=https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1989/illpres/
|titolo=The Nobel Prize in Physics 1989
|editore=The Nobel Foundation
|accesso=24 settembre 2008}}</ref> Il momento magnetico di un elettrone fu misurato con una precisione di 11 cifre significative, che, nel 1980, è la misura migliore di una costante fisica.<ref>{{Cita pubblicazione
|cognome=Ekstrom|nome=Philip
|titolo=The isolated Electron
|rivista=Scientific American|anno=1980
|volume=243|numero=2|pp=91-101|url=http://tf.nist.gov/general/pdf/166.pdf
|formato=PDF| accesso=24 settembre 2008}}</ref>

La prima immagine video della distribuzione di energia di un elettrone è stata catturata da un team dell'università di Lund in Svezia, nel febbraio 2008. Gli scienziati hanno usato flash estremamente piccoli di luce, che hanno permesso di osservare il moto di un elettrone per la prima volta.<ref>{{Cita web|url=http://www.physorg.com/news122897584.html|titolo=Electron filmed for the first time ever|editore=physorg|accesso=30 marzo 2012}}</ref><ref name=Mauritsson>{{Cita pubblicazione
|autore=J. Mauritsson|etal=s|anno=2008|url=https://prl.aps.org/pdf/PRL/v100/i7/e073003|titolo=Coherent Electron Scattering Captured by an Attosecond Quantum Stroboscope|rivista=Physical Review Letters|volume=100|p=073003|doi=10.1103/PhysRevLett.100.073003|lingua=en}}</ref>

Tramite la misura dell'energia irradiata da elettroni, gran parte delle misure [[spettroscopia|spettroscopiche]] sono collegati allo studio degli elettroni liberi o legati, misurando l'energia dei [[fotone|fotoni]] emessi.

Per esempio, nell'ambiente ad alta energia come la [[corona solare|corona]] di una stella, gli elettroni liberi formano un [[Fisica del plasma|plasma]] che emette energia per gli effetti di [[Bremsstrahlung]]. Il gas elettronico può formare delle oscillazioni di plasma, ovvero oscillazioni regolari della densità degli elettroni, e queste possono produrre emissioni di energia che possono essere rilevate usando i [[radiotelescopi]].<ref>{{Cita pubblicazione
|cognome=Gurnett|nome=Donald A.
|titolo=Electron Plasma Oscillations Associated with Type III Radio Bursts|rivista=Science|data=10 dicembre 1976|volume=194
|numero=4270|pp=1159-1162|doi=10.1126/science.194.4270.1159
|pmid=17790910|cognome2=Anderson
|nome2=RR}}</ref>

Nel caso di atomi e molecole, un elettrone confinato a muoversi attorno a un nucleo può transire fra i diversi livelli energetici di questo consentiti, assorbendo o emettendo fotoni di frequenza caratteristica. Per esempio, quando un atomo è irraggiato da una sorgente con uno spettro continuo, appariranno delle distinte linee spettrali per la radiazione trasmessa. Ciascun elemento o molecola esibisce un insieme caratteristico proprio di serie di linee spettrali, che lo distinguono dagli altri atomi, come per esempio il noto caso delle serie dello spettro dell'atomo di [[idrogeno]]. Lo studio dell'intensità e la larghezza di queste linee permette di indagare le proprietà fisico-chimiche delle sostanze in analisi.<ref>{{Cita web
|cognome=Martin|nome=W. C.
|coautori=Wiese, W. L.|mese=maggio|anno=2007
|url=http://physics.nist.gov/Pubs/AtSpec/
|titolo=Atomic Spectroscopy: A Compendium of Basic Ideas, Notation, Data, and Formulas|editore=National Institute of Standards and Technology|accesso=8 gennaio 2007
}}</ref><ref>{{cita libro
|cognome=Fowles|nome=Grant R.|anno=1989
|titolo=Introduction to Modern Optics
|editore=Courier Dover Publications
|pagine=227–233|isbn=0-486-65957-7}}</ref>

La distribuzione di elettroni nei materiali solidi può essere visualizzata dallo spettroscopio [[ARPES]] (''Angle resolved photoemission spectroscopy'', ovvero spettroscopia fotoelettrica angolarmente risolta). Questa tecnica si basa sull'[[effetto fotoelettrico]] per misurare il [[reticolo reciproco]], una rappresentazione matematica della struttura periodica di un cristallo. ARPES può essere usato per determinare la direzione, la velocità e la diffusione di elettroni nel materiale.<ref>{{Cita pubblicazione
|cognome=Damascelli|nome=Andrea
|titolo=Probing the Electronic Structure of Complex Systems by ARPES|rivista=Physica Scripta|anno=2004
|volume=T109|pp=61-74|doi=10.1238/Physica.Topical.109a00061}}</ref>

== Applicazioni ==

[[File:Nasa Shuttle Test Using Electron Beam full.jpg|thumb|left|Durante un test della [[NASA]] nella [[galleria del vento]], un modello dello [[Space Shuttle]] è bersagliato da un fascio di elettroni che simulano l'effetto degli ioni degli strati alti dell'atmosfera terrestre incontrati durante il rientro.<ref>{{cita web|url=http://grin.hq.nasa.gov/ABSTRACTS/GPN-2000-003012.html|titolo=Image #: L-1975-02972|editore=grin.hq.nasa.gov|accesso=12 aprile 2010|lingua=en|urlmorto=sì|urlarchivio=https://web.archive.org/web/20081207041522/http://grin.hq.nasa.gov/ABSTRACTS/GPN-2000-003012.html}}</ref>]]
I [[Raggi catodici|fasci di elettroni]] sono usati nella saldatura di materiali,<ref>{{cita web|autore=John Elmer|data=3 marzo 2008|url=https://www.llnl.gov/str/MarApr08/elmer.html|titolo=Standardizing the Art of Electron-Beam Welding|editore=llnl.gov|accesso=12 aprile 2010|lingua=en|urlmorto=sì|urlarchivio=https://web.archive.org/web/20080920142328/https://www.llnl.gov/str/MarApr08/elmer.html}}</ref> permettendo di raggiungere densità di energia superiori ai {{tutto attaccato|107 W·cm−2}} nello stretto diametro focale di {{tutto attaccato|0,1-1,3 mm}} e spesso non richiedono un materiale di riempimento. Questa tecnica di saldatura deve essere eseguita nel vuoto, in modo tale che gli elettroni non interagiscano con l'aria prima di raggiungere il bersaglio e può essere usata per unire materiali conduttori che altrimenti sarebbero difficili da saldare.<ref>{{cita|Schultz|pp. 2-3|schultz}}.</ref><ref>{{cita|Benedict|p. 273.|benedict}}</ref>

La [[litografia a fasci di elettroni]] (EBL) è un metodo per [[acquaforte|stampare]] i semiconduttori a risoluzioni più basse del [[micron]].<ref>{{cita conferenza|nome=Faik S.|cognome=Ozdemir|titolo=Electron beam lithography|conferenza=Proceedings of the 16th Conference on Design automation|pagine=383-391|editore=IEEE Press|data=25-27 giugno 1979|città=[[San Diego]]|url=https://portal.acm.org/citation.cfm?id=800292.811744|accesso=12 aprile 2010}}</ref> Questa tecnica è limitata dagli alti costi, basse performance, dalla necessità di operare con fascio nel vuoto e dalla tendenza degli elettroni a [[diffusione ottica|essere diffusi]] nei solidi. L'ultimo problema limita la risoluzione a circa {{M|10|u=nm}}. Per questa ragione, l'EBL è principalmente usata per la produzione di un piccolo numero di [[circuiti integrati]] specializzati.<ref>{{cita|Madou|pp. 53-54|benedict}}.</ref>

La lavorazione con fasci di elettroni è usata per irradiare i materiali in modo da cambiare le loro proprietà fisiche o per la sterilizzazione medica e la produzione di cibo.<ref>{{cita conferenza|titolo=Electron Beam Scanning in Industrial Applications|conferenza=APS/AAPT Joint Meeting|autore=Jongen Yves e Arnold Herer|data=2-5 maggio 1996|url=http://adsabs.harvard.edu/abs/1996APS..MAY.H9902J|accesso=12 aprile 2010|editore=American Physical Society}}</ref> Nella [[radioterapia]], i fasci di elettroni generati da [[Acceleratore lineare|acceleratori lineari]] sono usati per il trattamento di tumori superficiali: dato che un fascio di elettroni può penetrare solamente uno spessore limitato prima di essere assorbito, tipicamente intorno a {{M|5|u=cm}} per elettroni di energia nel range 5–{{M|20|u=MeV}}, la radioterapia è utile per il trattamento di lesioni della cute come il [[carcinoma basocellulare]]. Un fascio di elettroni può essere usato per integrare il trattamento di aree che sono state irraggiate da [[raggi X]].<ref>{{cita|Beddar|p. 700.|beddar}}</ref><ref>{{cita web|cognome=Gazda|nome=Michael J.|coautori=Lawrence R. Coia|data=1º giugno 2007|url=http://www.cancernetwork.com/cancer-management/chapter02/article/10165/1165822|titolo=Principles of Radiation Therapy|editore=cancernetwork.com|accesso=12 aprile 2010}}</ref>

Gli [[Acceleratore di particelle|acceleratori di particelle]] usano campi elettrici per far raggiungere agli elettroni e alle loro antiparticelle alte energie. Nel momento in cui queste particelle passano in una regione in cui c'è campo magnetico, questi emettono [[radiazione di sincrotrone]]. L'intensità di questa radiazione dipende dallo spin e questo può permettere la polarizzazione dei fasci di elettroni in un processo noto come [[effetto Sokolov-Ternov]].<ref>La polarizzazione di un fascio di elettroni significa che lo spin di tutti gli elettroni punta in una direzione. In altre parole, la proiezione dello spin di tutti gli elettroni lungo il loro vettore della [[quantità di moto]] ha lo stesso segno.</ref> La polarizzazione di fasci di elettroni può essere molto utile per numerosi esperimenti. La radiazione di sincrotrone può anche essere usata per raffreddare il fascio di elettroni, in modo da ridurre la quantità di moto persa dalle particelle. Una volta che le particelle sono state accelerate sino all'energia richiesta, i fasci separati di elettroni e positroni sono portati alla collisione e la risultante emissione di radiazione è osservata dai [[rivelatori di particelle]] ed è studiata dalla fisica particellare.<ref>{{cita|Chao|pp. 155, 188.|chao}}</ref>

=== Produzione di immagini ===
[[File:Zn-Mg-HoDiffraction.JPG|thumb|Figura ottenuta tramite [[diffrazione di elettroni]] di un [[quasicristallo]] (Zn-Mg-Ho).]]

Gli elettroni possono essere utilizzati anche per ottenere immagini [[Microscopia|microscopiche]] grazie ai [[Microscopio elettronico|microscopi elettronici]], che indirizzano un fascio focalizzato direttamente sul campione. A causa dell'interazione del fascio con il materiale, alcuni elettroni cambiano le loro proprietà, come una variazione della direzione, della fase relativa e dell'energia. Registrando questi cambiamenti del fascio elettronico, si possono produrre immagini a risoluzione atomica del materiale.<ref>{{cita web|autore=D. McMullan|anno=1993|titolo=Scanning Electron Microscopy: 1928–1965|url=http://www-g.eng.cam.ac.uk/125/achievements/mcmullan/mcm.htm|editore=g.eng.cam.ac.uk|accesso=9 febbraio 2012}}</ref> Questa elevata risoluzione, maggiore dei [[Microscopio ottico|microscopi ottici]] (che è di circa {{M|200|u=nm}} in luce blu), è possibile poiché i microscopi elettronici sono limitati dalla [[lunghezza d'onda di De Broglie]] degli elettroni (a titolo d'esempio, un elettrone ha una lunghezza d'onda di {{M|0.0037|u=nm}} quando questo viene accelerato da un potenziale di {{M|100|u=kV}}).<ref>{{cita libro|autore=H. S. Slayter|anno=1992|titolo=Light and electron microscopy|url= http://books.google.com/?id=LlePVS9oq7MC&pg=PA1|pagina=1|editore=Cambridge University Press|isbn=0-521-33948-0}}</ref><ref>{{cita libro|autore=H. Cember|anno=1996|titolo=Introduction to Health Physics|url=http://books.google.com/?id=obcmBZe9es4C&pg=PA42|pagina=42–43|editore=McGraw-Hill Professional|isbn=0-07-105461-8}}</ref> Il microscopio elettronico a trasmissione corretto in aberrazione è in grado di avere una risoluzione inferiore a {{M|0.05|u=nm}}, che è sufficiente per risolvere i singoli atomi.<ref>{{cita pubblicazione|autore=R. Erni|coautore=''et al.''|anno=2009|titolo=Atomic-Resolution Imaging with a Sub-50-pm Electron Probe|rivista=[[Physical Review Letters]]|volume=102|numero=9|pagina=096101|doi=10.1103/PhysRevLett.102.096101|pmid=19392535|bibcode=2009PhRvL.102i6101E}}</ref> Queste caratteristiche tecniche rendono il microscopio elettronico uno strumento di laboratorio utile per le immagini ad alta risoluzione; a fronte di questi vantaggi, i microscopi elettronici sono strumenti molto costosi da mantenere.

Vi sono due tipi di microscopi elettronici: [[Microscopio elettronico a trasmissione|a trasmissione]] e [[Microscopio elettronico a scansione|a scansione]]. Il primo funziona in maniera analoga a una lavagna luminosa, ovvero il fascio di elettroni passa attraverso una parte del campione e viene successivamente proiettato tramite lenti su [[diapositive]] o su un [[Dispositivo ad accoppiamento di carica|CCD]]. Nel secondo invece l'immagine è prodotta con un fascio elettronico molto fine che scansione riga per riga una piccola regione del campione; l'[[ingrandimento]] varia da 100× a {{tutto attaccato|1 000 000×}} o più per entrambi i microscopi. Un altro tipo di microscopio elettronico è quello [[Microscopio a effetto tunnel|a effetto tunnel]] sfrutta l'[[effetto tunnel]] quantistico degli elettroni che fluiscono da una punta conduttrice appuntita al materiale di interesse e può riprodurre immagini a risoluzione atomica delle superfici.<ref name="bozzola_1999">{{cita libro|autore=J. J. Bozzola|coautore=L. D. Russell|anno=1999|titolo=Electron Microscopy: Principles and Techniques for Biologists|url=http://books.google.com/?id=RqSMzR-IXk0C&pg=PA12|editore=Jones & Bartlett Publishers|pagina=12, 197-199|isbn=0-7637-0192-0}}</ref><ref>{{cita libro|autore=S. L. Flegler|coautore=J. W. Heckman Jr., K. L. Klomparens|anno=1995|titolo=Scanning and Transmission Electron Microscopy: An Introductiom|url=https://archive.org/details/scanningtransmis0000fleg_a7x2|editore=Oxford University Press|pagine=43-45|isbn=0-19-510751-9}}</ref><ref>{{cita libro|autore=J. J. Bozzola|coautore=L. D. Russell|anno=1999|titolo=Electron Microscopy: Principles and Techniques for Biologists|url=http://books.google.com/?id=RqSMzR-IXk0C&pg=PA9|editore=Jones & Bartlett Publishers|edizione=2|pagina= 9|isbn = 0-7637-0192-0}}</ref>

Altre tecniche permettono di studiare la struttura cristallina dei solidi; una tecnica che sfrutta questo principio è la [[diffrazione di elettroni a bassa energia]] (LEED) che permette di visualizzare su uno schermo fluorescente la figura di diffrazione di un cristallo utilizzando un [[Luce collimata|fascio collimato]] di elettroni avente un'energia tra i 20 e i {{M|200|u=eV}}.<ref>{{cita|Oura|pp. 1-45|oura}}.</ref> Un altro metodo che sfrutta la diffrazione è la diffrazione di elettroni ad alta energia per riflessione (RHEED, da ''[[reflection high-energy electron diffraction]]'') che sfrutta la riflessione di un fascio di elettroni incidente a piccoli angoli in modo da caratterizzare la superficie del materiale di studio; l'energia tipica del fascio è tra 8 e {{M|20|u=keV}}, mentre l'angolo di incidenza varia tra 1° e 4°.<ref>{{cita|Ichimiya|p. 1.|ichimiya}}</ref><ref>{{cita|Heppell|pp. 686-688|heppel}}.</ref>

=== Altre applicazioni ===
[[File:Electron Interaction with Matter.svg|thumb|Rappresentazione degli effetti dell'interazione degli elettroni con la materia e relative applicazioni.]]
Nel [[laser a elettroni liberi]], un fascio di elettroni a energia relativistica passa attraverso una coppia di [[Ondulatore|ondulatori]] che contengono una serie di dipoli magnetici, i cui campi sono orientati in direzioni alternate; l'elettrone emette radiazione di [[sincrotrone]] che, a turno, interagisce coerentemente con lo stesso elettrone e ciò porta a un grosso aumento del campo di radiazione alla [[frequenza di risonanza]]. Il laser può emettere una radiazione elettromagnetica coerente ad alta [[radianza]] con un ampio intervallo di frequenze, che va dalle [[microonde]] ai [[raggi X]] morbidi. Questo strumento potrà essere utilizzato per l'industria, per le comunicazioni e per varie applicazioni mediche, come la chirurgia dei tessuti molli.<ref>{{cita libro|autore=H. P. Freund|coautore=T. Antonsen|anno=1996|titolo=Principles of Free-Electron Lasers|url=http://books.google.com/?id=73w9tqTgbiIC&pg=PA1|pagine=1-30|editore=Springer Verlag|isbn=0-412-72540-1}}</ref>

Gli elettroni sono fondamentali per il funzionamento dei [[Tubo a raggi catodici|tubi catodici]], che sono largamente usati nei dispositivi come [[computer]] e [[televisori]].<ref>{{cita libro|autore=J. W. Kitzmiller|anno=1995|titolo=Television Picture Tubes and Other Cathode-Ray Tubes: Industry and Trade Summary|pagine=3-5|editore=DIANE Publishing|isbn=0-7881-2100-6}}</ref> In un tubo [[fotomoltiplicatore]] ogni fotone che colpisce il [[fotocatodo]] dà inizio a una cascata di elettroni che produce un impulso di corrente rivelabile.<ref>{{cita libro|autore=N. Sclater|anno=1999|titolo=Electronic Technology Handbook|url=https://archive.org/details/electronicstechn0000scla|pagine=227–228|editore= McGraw-Hill Professional|isbn=0-07-058048-0}}</ref> I [[Valvola termoionica|tubi a vuoto]] sfruttano il flusso di elettroni per manipolare i segnali elettrici e svolgono un ruolo importante nello sviluppo nell'elettronica; nonostante ciò essi sono stati in gran parte soppiantati dai [[Dispositivo a semiconduttore|dispositivi a semiconduttori]] come i [[transistor]].<ref>{{cita web|anno=2008|titolo=The History of the Integrated Circuit|url=https://www.nobelprize.org/educational_games/physics/integrated_circuit/history/|editore=nobelprize.org|accesso=10 febbraio 2012}}</ref>
{{clear}}

== Annotazioni ==
<references group="N" />
== Note ==
<references/>

== Bibliografia ==
=== Testi generici ===
* {{Cita libro|autore=Paolo Mazzoldi|coautori=Massimo Nigro e Cesare Voci|anno=2000|titolo=Fisica Volume II|editore=Edises|edizione=2ª edizione|cid=mazzoldi|isbn=88-7959-152-5}}
* {{Cita libro|autore=B. Povh|coautori=K. Rith e C. Scholz|anno=1998|titolo=Particelle e nuclei|editore=Bollati Boringhieri|cid=povh|isbn=88-339-5595-8}}
* {{Cita libro|nome=Steve|cognome=Adams|anno=2000|titolo=Frontiers: Twentieth Century Physics|url=http://books.google.it/books?id=yIsMaQblCisC&printsec=frontcover&dq=Frontiers:+Twentieth+Century+Physics&cd=1#v=onepage&q=&f=false|editore=CRC Press|cid=adams|isbn=0-7484-0840-1|lingua=en}}
* {{Cita libro|autore=Charis Anastopoulos|anno=2008|titolo=Particle Or Wave: The Evolution of the Concept of Matter in Modern Physics|url=https://archive.org/details/particleorwaveev0000anas|editore=Princeton University Press|cid=anastopoulos|isbn=0-691-13512-6|lingua=en}}
* {{Cita libro|cognome=Arabatzis|nome=Theodore|anno=2006|titolo=Representing Electrons: A Biographical Approach to Theoretical Entities|url=http://books.google.it/books?id=rZHT-chpLmAC&printsec=frontcover&dq=Representing+Electrons:+A+Biographical+Approach+to+Theoretical+Entities&cd=1#v=onepage&q=&f=false|accesso=1º aprile 2010|editore=University of Chicago Press|cid=arabatzis|isbn=0-226-02421-0|lingua=en}}
* {{Cita libro|autore=Gary F. Benedict|anno=1987|titolo=Nontraditional Manufacturing Processes|editore=CRC Press|url=http://books.google.com/books?id=xdmNVSio8jUC&pg=PA273|cid=benedict|isbn=0-8247-7352-7|lingua=en}}
* {{Cita libro|nome=Eric H. S.|cognome=Burhop|anno=1952|titolo=The Auger Effect and Other Radiationless Transitions|editore=Cambridge University Press|pagine=2–3|città=New York|cid=burhop|lingua=en}}
* {{Cita libro|nome=Alexander W.|cognome=Chao|coautori=Maury Tigner|titolo=Handbook of Accelerator Physics and Engineering|editore=World Scientific Publishing Company|anno=1999|url=http://books.google.com/books?id=Z3J4SjftF1YC&pg=PA155|cid=chao|isbn=981-02-3500-3|lingua=en}}
* {{Cita libro|autore=Benjamin Crowell|anno=2000|titolo=Electricity and Magnetism|editore=Light and Matter|url=http://books.google.com/books?id=s9QWZNfnz1oC&pg=PT129|cid=crowell|isbn=0-9704670-4-4|lingua=en}}
* {{Cita libro|cognome=Curtis|nome=Lorenzo J.|anno=2003|titolo=Atomic Structure and Lifetimes: A Conceptual Approach|url=http://books.google.it/books?id=KmwCsuvxClAC&printsec=frontcover&dq=Atomic+Structure+and+Lifetimes:+A+Conceptual+Approach&cd=1#v=onepage&q=&f=false|accesso=1º aprile 2010|editore=Cambridge University Press|cid=curtis74|isbn=0-521-53635-9|lingua=en}}
* {{Cita libro|cognome=Dahl|nome=Per F.|anno=1997|titolo=Flash of the Cathode Rays: A History of J J Thomson's Electron|url=http://books.google.it/books?id=xUzaWGocMdMC&printsec=frontcover&dq=Flash+of+the+Cathode+Rays:+A+History+of+J+J+Thomson%27s+Electron&cd=1#v=onepage&q=&f=false|accesso=1º aprile 2010|editore=CRC Press|cid=dahl|isbn=0-7503-0453-7|lingua=en}}
* {{Cita libro|nome=Henning|cognome=Genz|anno=2001|titolo=Nothingness: The Science of Empty Space|url=https://archive.org/details/nothingnessscien0000henn|editore=Da Capo Press|cid= Genz|isbn=0-7382-0610-5|lingua=en}}
* {{Cita libro|autore=Howard Georgi|anno=1989|titolo=The New Physics|editore=Cambridge University Press|url=http://books.google.com/books?id=akb2FpZSGnMC&pg=PA427|cid=georgi|isbn=0-521-43831-4|lingua=en}}
* {{Cita libro|nome=M. C.|cognome=Gupta|anno=2001|titolo=Atomic and Molecular Spectroscopy|editore=New Age Publishers|cid=gupta|isbn=81-224-1300-5|lingua=en}}
* {{Cita libro|anno=2005|nome=Hermann|cognome=Haken|coautori=Hans Christoph Wolf, W. D. Brewer|titolo=The Physics of Atoms and Quanta: Introduction to Experiments and Theory|url=https://archive.org/details/physicsofatomsqu0000hake_7ed|editore=Springer Verlag|cid=haken|isbn=3-540-20807-0|lingua=en}}
* {{Cita libro|autore=Lillian Hoddeson|coautori=Laurie Brown, Michael Riordan, Max Dresden|anno=1997|titolo=The Rise of the Standard Model: Particle Physics in the 1960s and 1970s|editore=Cambridge University Press|url=http://books.google.com/books?id=klLUs2XUmOkC&pg=PA25|cid=hoddeson|isbn=0-521-57816-7|lingua=en}}
* {{Cita libro|nome=Kerson|cognome=Huang|anno=2007|editore=World Scientific|titolo=Fundamental Forces of Nature: The Story of Gauge Fields|url=http://books.google.com/books?id=q-CIFHpHxfEC&pg=PA123|cid=huang|isbn=981-270-645-3|lingua=en}}
* {{Cita libro|autore=A. Ichimiya, P. I. Cohen|anno=2004|titolo=Reflection High-energy Electron Diffraction|url=http://books.google.com/?id=AUVbPerNxTcC&pg=PA1|editore=Cambridge University Press|isbn=0-521-45373-9|cid=ichimiya|lingua=en}}
* {{Cita libro|cognome=Jiles|nome=David|anno=1998|pagine=280–287|titolo=Introduction to Magnetism and Magnetic Materials|editore=CRC Press|cid=jiles|isbn=0-412-79860-3|lingua=en}}
* {{Cita libro|autore=Per Olov Löwdin, Erkki Erkki Brändas, Eugene S. Kryachko|titolo=Fundamental World of Quantum Chemistry: A Tribute to the Memory of Per-Olov Löwdin|editore=Springer Verlag|anno=2003|cid=olov|isbn=1-4020-1290-X|lingua=en}}
* {{Cita libro|autore=Marc J. Madou|anno=2002|edizione=2|titolo=Fundamentals of Microfabrication: the Science of Miniaturization|editore=CRC Press|url=http://books.google.com/books?id=9bk3gJeQKBYC&pg=PA53|isbn=0-8493-0826-7|cid=madou|lingua=en}}
* {{Cita libro|autore=Donald Allan McQuarrie, John Douglas Simon|titolo=Physical Chemistry: A Molecular Approach|url=https://archive.org/details/physicalchemistr0000macqu|editore=University Science Books|anno=1997|cid=mcQuarrie|isbn=0-935702-99-7|lingua=en}}
* {{Cita libro|nome=Dieter|cognome=Meschede|anno=2004|titolo=Optics, light and lasers: The Practical Approach to Modern Aspects of Photonics and Laser Physics|url=http://books.google.com/books?id=PLISLfBLcmgC&pg=PA168|editore=Wiley-VCH|cid=meschede|isbn=3-527-40364-7|lingua=en|urlmorto=sì}}
* {{Cita libro|cognome=Munowitz|nome=Michael|anno=2005|titolo=Knowing, The Nature of Physical Law|url=https://archive.org/details/knowingnatureofp0000muno|editore=Oxford University Press|cid=munowitz|isbn=0-19-516737-6|lingua=en}}
* {{Cita libro|autore=K. Oura, V. G. Lifshits, A. A. Saranin, A. V. Zotov, M. Katayama|anno=2003|titolo=Surface Science: An Introduction|url=https://archive.org/details/surfacesciencein0000unse_n1m1|editore=Springer Verlag|isbn=3-540-00545-5|cid=oura|lingua=en}}
* {{Cita libro|cognome=Pauling|nome=Linus C.|linkautore=Linus Pauling|anno=1960|titolo=The Nature of the Chemical Bond and the Structure of Molecules and Crystals: an introduction to modern structural chemistry|url=http://books.google.co.uk/books?id=L-1K9HmKmUUC|accesso=29 marzo 2010|edizione=3|editore=Cornell University Press|cid=Pauling|isbn=0-8014-0333-2|lingua=en}}
* {{Cita libro|nome=Wilhelm|cognome=Raith|coautori=Thomas Mulvey|anno=2001|titolo=Constituents of Matter: Atoms, Molecules, Nuclei and Particles|editore=CRC Press|pagina=777–781|cid=raith|isbn=0-8493-1202-7|lingua=en}}
* {{Cita libro|autore=Helmut Schultz|anno=1993|titolo=Electron Beam Welding|editore=Woodhead Publishing|url=http://books.google.com/books?id=I0xMo28DwcIC&pg=PA2|cid=schultz|isbn=1-85573-050-2|lingua=en}}
* {{Cita libro|cognome=Smirnov|nome=Boris M.|anno=2003|titolo=Physics of Atoms and Ions|url=http://books.google.it/books?id=I1O8WYOcUscC&printsec=frontcover&hl=it#v=onepage&q&f=false|accesso=23 gennaio 2012|editore=Springer Verlag|cid=smirnov|isbn=0-387-95550-X|lingua=en}}
* {{Cita libro|cognome=Taylor|nome=John|anno=1989
|titolo=The New Physics|editore=Cambridge University Press|url=http://books.google.com/books?id=akb2FpZSGnMC&pg=PA464|cid=taylor|isbn=0-521-43831-4|lingua=en}}
* {{Cita libro|autore=Jerry Wilson|coautori=Anthony Buffa|anno=2000|titolo=College Physics|url=https://archive.org/details/collegephysicsvo00jerr|edizione=4|editore=Prentice Hall|cid=wilson2|isbn=0-13-082444-5|lingua=en}}
* {{Cita libro|cognome=Wilson|nome=Robert|anno=1997|titolo=Astronomy Through the Ages: The Story of the Human Attempt to Understand the Universe|url=http://books.google.it/books?id=AoiJ3hA8bQ8C&printsec=frontcover&dq=Astronomy+Through+the+Ages:+The+Story+of+the+Human+Attempt+to+Understand+the+Universe&cd=1#v=onepage&q=&f=false|accesso=1º aprile 2010|editore=CRC Press|cid=wilson|isbn=0-7484-0748-0|lingua=en}}

=== Pubblicazioni scientifiche ===
* {{Cita pubblicazione|autore=A. S. Beddar|titolo=Mobile linear accelerators for intraoperative radiation therapy|rivista=AORN Journal|anno=2001|volume=74|url=http://www.aornjournal.org/article/S0001-2092(06)61769-9/abstract|abstract=x|doi=10.1016/S0001-2092(06)61769-9|cid=beddar|lingua=en|accesso=29 agosto 2021|urlarchivio=https://archive.is/20130414002240/http://www.aornjournal.org/article/S0001-2092(06)61769-9/abstract|dataarchivio=14 aprile 2013}}
* {{Cita pubblicazione|autore=R. Beringer|coautore=C. G. Montgomery|titolo=The Angular Distribution of Positron Annihilation Radiation|rivista=Physical Review|anno=1942|volume=61|numero=5-6|doi=10.1103/PhysRev.61.222|cid=beringer|lingua=en}}
* {{Cita pubblicazione|autore=C. Bernardini|anno=2004|titolo=AdA: The First Electron–Positron Collider|rivista=Physics in Perspective|volume=6|numero=2|bibcode=2004PhP.....6..156B|doi=10.1007/s00016-003-0202-y|cid=bernardini|lingua=en}}
* {{Cita pubblicazione|autore=G. J. Blumenthal|titolo=Bremsstrahlung, Synchrotron Radiation, and Compton Scattering of High-Energy Electrons Traversing Dilute Gases|rivista=Reviews of Modern Physics|anno=1970|volume=42|doi=10.1103/RevModPhys.42.237|cid=blumenthal|lingua=en}}
* {{Cita pubblicazione|autore=S. Chen|coautori=A. Maksimchuk, D. Umstadter|titolo=Experimental observation of relativistic nonlinear Thomson scattering|rivista=[[Nature]]|anno=1998|volume=396|doi=10.1038/25303|cid=chen|lingua=en}}
* {{Cita pubblicazione|autore=R. Daudel|coautori=R.F.W. Bader, M.E. Stephens, D.S. Borrett|data=11 ottobre 1973|titolo=The Electron Pair in Chemistry|rivista=Canadian Journal of Chemistry|volume=52|url=http://article.pubs.nrc-cnrc.gc.ca/ppv/RPViewDoc?issn=1480-3291&volume=52&issue=8&startPage=1310|accesso=7 aprile 2010|doi=10.1139/v74-201|cid=daudel|lingua=en|urlmorto=sì|urlarchivio=https://web.archive.org/web/20140108105609/http://www.nrcresearchpress.com/action/cookieAbsent}}
* {{Cita pubblicazione|autore=Hans Dehmelt|titolo=A Single Atomic Particle Forever Floating at Rest in Free Space: New Value for Electron Radius|rivista=Physica Scripta|anno=1988|volume=T22|doi=10.1088/0031-8949/1988/T22/016|cid=dehmelt|lingua=en}}
* {{Cita pubblicazione|autore=J. Eichler|titolo=Electron–positron pair production in relativistic ion–atom collisions|rivista=Physics Letters A|data=14 novembre 2005|volume=347|numero=1-3|doi=10.1016/j.physleta.2005.06.105|cid=eichler|lingua=en}}
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* {{Cita pubblicazione|autore=J. C. Zorn|coautori=George E. Chamberlain, Vernon W. Hughes|titolo=Experimental Limits for the Electron-Proton Charge Difference and for the Charge of the Neutron|rivista=Physical Review|anno=1963|volume=129|numero=6|doi=10.1103/PhysRev.129.2566|cid=zorn|lingua=en}}

== Voci correlate ==
; Ambiti scientifici
* [[Elettromagnetismo]]
* [[Elettrodinamica quantistica]]

; Particelle
* [[Lista delle particelle]]
* [[Fermione]]
* [[Protone]]
* [[Neutrone]]
* [[Positrone]]
* [[Leptone]]

; Aspetti chimici
* [[Elettrone spaiato]]
* [[Doppietto elettronico]]
* [[Trasferimento di elettroni]]
* [[Accettore di elettroni]]
* [[Donatore di elettroni]]
* [[Elettrone del guscio interno]]
* [[Elettrone solvatato]]
* [[Elettrone delocalizzato]]
* [[Configurazione elettronica]]

; Fenomeni fisici
* [[Scattering di elettroni]]

; Costanti e unità di misura
* [[Carica elementare]]
* [[Elettronvolt]]
* [[Raggio classico dell'elettrone]]

== Altri progetti ==
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== Collegamenti esterni ==
* {{Collegamenti esterni}}
* {{cita web|http://pdg.lbl.gov/|Particle Data Group}}
* {{cita web|url=http://www.bigs.de/Bstore/index.php?option=com_content&view=category&layout=blog&id=46&Itemid=167|titolo=Raggio di elettroni in campo elettrico e magnetico incrociato|urlmorto=sì|urlarchivio=https://web.archive.org/web/20101220000445/http://www.bigs.de/Bstore/index.php?option=com_content&view=category&layout=blog&id=46&Itemid=167}}


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