Mengenal Partikel Elementer (bagian 3) : Lepton 1 : Elektron

Lepton adalah sebuah kelompok partikel dasar bersama-sama dengan quark dan boson gauge. Seperti quark, lepton merupakan fermion (partikel spin ¹⁄₂) dan dipengaruhi oleh gaya elektromagnetik, gaya gravitasi, dan gaya lemah, namun berbeda dengan quark, lepton tidak ikut serta dalam interaksi kuat.
Ada enam rasa lepton, yang membentuk tiga generasi. Generasi pertama adalah lepton elektronik, yang terdiri dari elektron  dan neutrino elektron. Generasi kedua adalah lepton muon, terdiri dari muon dan neutrino muon, sedangkan generasi ketiga adalah tauon dan neutrino tauon. Tiap lepton memiliki antipartikel, yang dikenal sebagai antilepton.
Lepton adalah bagian penting dari Model standar, terutapma elektron yang merupakan salah satu komponen atom, bersama-sama dengan proton dan neutron. Atom eksotik dengan muon dan tauon sebagai ganti elektron juga dapat disintesis.

Elektron:

Penemuan elektron oleh J.J. Thomson terjadi pada tahun 1897, ditengah-tengah tabung gelas dan kilatan kelistrikan, fisikawan Inggris J.J. Thomson berspekulasi ke sisi dalam atom. Di Cavendish Laboratory Universitas Cambridge, percobaan Thomson dengan arus listrik di dalam tabung gelas kosong. Ia menyelidiki teka-teki lama yang dikenal sebagai sinar katoda.
Percobaannya mendorong dirinya untuk membuat pengajuan yang berani: sinar misterius ini adalah “aliran partikel” yang jauh lebih kecil dari atom, aliran partikel tersebut secara fakta adalah serpihan-serpihan atom yang teramat kecil. Ia menyebut partikel-partikel ini "butiran-butiran", dan menyarankan bahwa butiran-butiran tersebut mungkin penyusun materi dalam atom. Terasa mengejutkan untuk membayangkan bahwa terdapat partikel dalam atom - kebanyakan orang memikirkan bahwa atom tak terbagi, yakni satuan paling kecil dari materi.

Spin

Elektron adalah partikel sub atomik fundamental yang membawa muatan listrik negatif. Elektron memiliki spin ½ lepton yang berpartisipasi dalam interaksi elektromagnetik, dan massanya lebih kecil dibanding seperseribu atom terkecil. Muatan kelistrikannya didefinisikan oleh konvensi menjadi negatip, dengan nilai -1 dalam satuan atom. Bersama-sama dengan anti atom, elektron menyusun atom; interaksi elektron dengan inti terdekat adalah penyebab utama ikatan kimia.

 Sejarah

Nama “elektron” berasal dari kata Yunani untuk batu amber, Materi ini memainkan peranan penting dalam penemuan fenomena kelistrikan. Orang Yunani kuno mengetahui, sebagai contoh, bahwa menggosok sepotong batu amber dengan bulu binatang meninggalkan muatan listrik pada permukaannya, yang dapat kemudian menciptakan percikan.
Elektron sebagai unit muatan dalam elektrokimia diajukan oleh G. Johnstone Stoney pada tahun 1874, yang juga menciptakan istilah elektron pada tahun 1894. Selama akhir tahun 1890-an sejumlah fisikawan mengajukan bahwa kelistrikan dapat dipahami terdiri dari unit diskrit, yang diberi sejumlah nama, namun realitas mereka tidak ditetapkan dalam cara pemaksaan.

Penemuan bahwa elektron adalah partikel subatomik dibuat pada tahun 1897 oleh J.J. Thomson di Laboratorium Cavendish Universitas Cambridge, sementara ia mempelajari tabung sinar katoda. Tabung sinar katoda disegel silinder gelas dimana dua elektroda dipisahkan oleh vakum. Ketika tegangan diterapkan melintasi elektroda, sinar katoda dibangkitkan, menyebabkan tabung bercahaya.
Melalui eksperimen, Thomson menemukan bahwa muatan negatip tak dapat dipisahkan dari sinar (dengan menerapkan magnetisme), dan bahwasannya sinar dapat dibelokkan oleh medan listrik. Ia menyimpulkan bahwa sinar bahwa sinar-sinar ini, ketimbang gelombang, tersusun dari partikel bermuatan negatip yang ia sebut “korpuskel (corpuscles)”. Ia mengukur perbandingan massa-muatan elektron dan menemukannya lebih dari ribuan kali lebih kecil daripada ion hidrogen, menyarankan bahwa mereka sangat bermuatan atau bermassa sangat kecil.
Eksperimen berikutnya oleh ilmuwan lain menegakkan kesimpulan berikutnya. Perbandingan massa-muatan juga tak gayut pilihan material katoda dan gas pada awalnya dalam tabung vakum. Ini membawa Thomson untuk menyimpulkan bahwa mereka adalah universal di antara seluruh material. Muatan elektron secara cermat diukur oleh R.A. Millikan dalam eksperimen tetes minyak pada tahun 1909.
Hukum periodik menyatakan bahwa sifat-sifat kimia elemen sebagian besar berulang sendiri secara periodik dan adalah landasan tabel periodik elemen-elemen. Hukum itu sendiri pada awalnya dijelaskan dengan massa atomik elemen. Namun, sebagaimana terdapat anomali dalam tabel periodik, usaha dibuat untuk menemukan penjelasan yang lebih baik untuknya. Pada tahun 1913, Henry Moseley memperkenalkan konsep bilangan atomik dan menjelaskan hukum periodik dalam kaitan jumlah proton yang dimiliki masing-masing elemen.
Dalam tahun yang sama, Niels Bohr menunjukkan bahwa elektron adalah fondasi nyata dari tabel periodik. Pada tahun 1916, Gilbert Newton Lewis menjelaskan ikatan kimia elemen-elemen dengan interaksi elektron.

Sifat dan Perilaku Elektron

Elektron memiliki muatan listrik -1.6022 x 10-19 coulomb, bermassa 9.11 x 10^-31 kg berbasis pada muatan atau pengukuran massa dan massa diam relativistik sekitar 0.511 MeV/c2. Massa elektron sekitar 1/1836 massa proton. Simbol elektron umum adalah e^-.
Menurut mekanika kuantum, elektron dapat direpresentasi oleh fungsi gelombang, dimana rapat elektron probabilitas terhitung dapat ditentukan. Orbital masing-masing elektron dalam atom dapat dideskripsikan dengan fungsi gelombang. Berbasiskan prinsip ketakpastian Heisenberg, momentum dan posisi pasti dari elektron nyata tak dapat secara serempak ditentukan.
Ini adalah pembatasan yang mana, dalam peristiwa ini, dengan sederhana menyatakan bahwa lebih akurat kita mengetahui posisi partikel, berkurang keakuratan momentumnya, dan sebaliknya. Elektron memiliki spin ½ dan adalah fermion (ia mengikuti statistik Fermi-Dirac). Sebagai tambahan terhadap momentum sudut intrinsiknya, elektron memiliki momen magnetik intrinsik sepanjang sumbu spinnya.
Elektron dalam atom diikat terhadap atom; elektron bergerak secara bebas dalam vakum, ruang atau media tertentu adalah elektron bebas yang dapat difokuskan dalam berkas elektron. Ketika elektron bebas bergerak, terdapat aliran netto muatan, aliran ini disebut arus listrik. Kecepatan apung (drift velocity) elektron dalam kawat baja adalah pada orde mm/jam. Namun, kecepatan dimana arus pada satu titik dalam kawat menyebabkan arus dalam bagian lain pada kawat adalah secara khas 75% kecepatan cahaya.
Dalam beberapa superkonduktor, pasangan elektron bergerak sebagai pasangan Cooper dimana gerak mereka digandeng menuju maeri dekat melalui vibrasi kisi disebut fonon. Jarak pemisah antara pasangan-pasangan Cooper adalah sekitar 100 nm. Benda memiliki muatan listrik ketika benda memiliki lebih banyak atau lebih sedikit elektron ketimbang yang diperlukan untuk menyeimbangkan muatan positif inti atom.
Ketika terdapat kelebihan elektron, objek disebut bermuatan negatip. Ketika terdapat lebih sedikit elektron dibanding proton, objek disebut bermuatan positip. Ketika jumlah elektron dan jumlah proton sama, muatan-muatan mereka membatalkan satu sama lain dan objek disebut secara kelistrikan netral. Benda makroskopik dapat menambah muatan listrik melalui penggosokan, oleh fenomena triboelektrik.
Ketika elektron dan positron bertumbukan, mereka saling menghilangkan satu sama lain dan menghasilkan pasangan foton energi tinggi atau partikel lain. Pada sisi lain, foton energi tinggi dapat mentransformasi menjadi elektron dan positron dengan proses yang disebut produksi pasangan, namun hanya dalam keberadaan partikel bermuatan terdekat, semisal inti atom.
Elektron sekarang ini dideskripsikan sebagai partikel fundamental atau partikel elementer. Ia tak memiliki struktur. Oleh karena itu, untuk kesesuaian, ia biasanya didefinisikan atau diasumsikan muatan titik matematis seperti partikel, dengan tak ada perluasan ruang.
Namun, ketika partikel uji dipaksa untuk mendekati elektron, kita mengukur perubahan-perubahan dalam sifat-sifatnya (muatan dan massa). Efek ini adalah umum untuk seluruh partikel elementer: teori sekarang menyarankan bahwa efek ini dikarenakan pengaruh fluktuasi vakum dalam ruang lokalnya, sehingga sifat-sifat terukur dari jarak signifikan ditinjau menjadi penjumlahan sifat-sifat polos dan efek vakum (lihat renormalisasi).
Jari-jari elektron klasik adalah 2.8179 × 10^-15 m. Ini adalah jari-jari yang diduga/disimpulkan dari muatan listrik elektron, dengan menggunakan teori klasik elektrodinamika saja, dengan mengabaikan mekanika kuantum. Elektrodinamika klasik (elektrodinamika Maxwell) adalah konsep yang lebih tua yang secara luas digunakan untuk penerapan praktis kelistrikan, teknik elektro, fisika semikonduktor dan elektromagnetika; elektrodinamika kuantum, pada sisi lain, berguna untuk penerapan mencangkup fisika partikel modern dan beberapa aspek fisika optik, laser dan kuantum.
Berbasis teori sekarang, kecepatan elektron dapat mendekati, namun tak pernah mencapai, c (kecepatan cahaya dalam vakum). Pembatasan ini diatributkan ke teori relativitas khusus Einstein yang mendefinisikan kecepatan cahaya sebagai suatu konstanta dalam seluruh kerangka inersia.
Namun, ketika elektron relatistik diinjeksikan ke medium dielektrik, semisal air, dimana kecepatan lokal cahaya secara signifikan kurang dari c, elektron akan (secara temporer) berjalan lebih cepat dibanding cahaya dalam medium. Sebagaimana mereka berinteraksi dengan medium, mereka membangkitkan cahaya pucat kebiru-biruan, disebut radiasi Cherenkov. Efek relativitas khusus didasarkan pada kuantitas yang dikenal sebagai γ atau faktor Lorentz. γ adalah fungsi dari v, kecepatan partikel.
Untuk contoh, pemercepat partikel SLAC dapat mempercepat elektron hingga 51 GeV. Ini memberi gamma 100.000, karena massa diam elektron adalah 0.51 MeV/c² (massa relativistik elektron ini adalah 100.000 kali massa diamnya).
Dalam mekanika kuantum relativistik, elektron dideskripsikan oleh persamaan Dirac yang mendefinisikan elektron sebagai titik matematis. Dalam teori medan kuantum, perilaku elektron dideskripsikan oleh elektrodinamika kuantum, sebuah teori gauge U(1). Dalam model Dirac, elektron didefinisikan menjadi titik matematis, seperti titik, partikel “polos” bermuatan yang dikelilingi oleh lautan pasangan interaksi partikel virtual dan antipartikel.
Hal ini memberikan koreksi sedikit di atas 0,1% terhadap nilai yang diprediksi rasio gyromagnetik elektron dari dengan pasti 2 (sebagaimana diprediksi oleh model partikel tunggal Dirac). Kesesuaian yang luar biasa presisi dari prediksi ini dengan nilai yang ditentukan secara eksperimen dipandang sebagai salah satu prestasi besar fisika modern.
Dalam Model Standar fisika partikel, elektron adalah generasi pertama lepton bermuatan. Ia membentuk doublet isospin lemah dengan neutrino elektron; dua partikel ini berinteraksi dengan satu sama lain melalui kedua muatan dan arus netral interaksi lemah. Elektron adalah sangat mirip dengan lebih dari dua partikel masif generasi lebih tinggi, muon dan tau lepton, yang adalah identik dalam muatan, spin dan interaksi namun berbeda dalam massa.
Bagian anti materi elektron adalah positron. Positron memiliki jumlah muatan listrik yang sama dengan elektron, kecuali muatannya adalah positif. Ia memiliki massa dan spin yang sama dengan elektron. Ketika elektron dan positron bertemu, mereka saling menghilangkan satu sama lain, memunculkan dua foton sinar gamma diemisikan secara kasar 1800 satu sama lain.

Jika elektron dan positron memiliki momentum yang dapat diabaikan, tiap-tiap sinar gamma akan memiliki energi 0.511 MeV. Elektron adalah elemen kunci dalam elektromagnetisme, sebuah teori yang akurat untuk sistem makroskopik, dan untuk model klasik sistem mikroskopik