ઇલેક્ટ્રૉન : પદાર્થની પરમાણુ-રચનાના ત્રણ મૂળભૂત સૂક્ષ્મ કણો – ઇલેકટ્રોન, પ્રોટૉન અને ન્યૂટ્રૉન – પૈકીનો ઋણ વિદ્યુતભારવાહી એક સૂક્ષ્મ કણ. ધન વિદ્યુતભારવાહી પ્રોટૉન અને વિદ્યુતભારરહિત ન્યૂટ્રૉન, પરમાણુનું ન્યૂક્લિયસ રચે છે. પ્રોટૉનના કારણે ધન વિદ્યુતભારિત બનેલા ન્યૂક્લિયસની આસપાસ જુદી-જુદી ખાસ કક્ષાઓમાં ઇલેકટ્રોન નિરંતર ઘૂમતા રહે છે. (જેમ સૂર્યમંડળમાં કેન્દ્રસ્થાને આવેલા સૂર્યની આસપાસ જુદા જુદા ગ્રહો પોતપોતાની કક્ષામાં ઘૂમતા હોય છે લગભગ તેમ.) પ્રકૃતિગત તત્વોની સંખ્યા 90 જેટલી છે જ્યારે પ્રયોગશાળામાં કૃત્રિમ રીતે ઉત્પન્ન કરેલાં તત્વોની સંખ્યા 28 જેટલી છે. ઇલેકટ્રોનની સંખ્યા અને જુદી જુદી કક્ષાઓમાંની તેમની ગોઠવણી પરથી પરમાણુના રાસાયણિક ગુણધર્મો નક્કી થતા હોય છે.
ઓગણીસમી સદીમાં ફૅરડેના પ્રયોગો થયા ત્યારથી જ વિદ્યુતભારને કોઈ એકમ હોવો જોઈએ અને બધી જ વિદ્યુતપ્રક્રિયાઓમાં આ એકમના પૂર્ણાંક સંખ્યામાં જ વિદ્યુતભારની આપલે થતી હોવી જોઈએ, તેવું મંતવ્ય રજૂ થયું. 1881માં જ્હૉનસ્ટન સ્ટોની નામના અંગ્રેજ વિજ્ઞાનીએ વિદ્યુતભારના આ એકમનું નામ ‘ઇલેકટ્રોન’ આપ્યું. પરંતુ વાસ્તવમાં તો ઇલેકટ્રોન શોધવાનો યશ જે. જે. થૉમસનને ફાળે જાય છે. 1896-97માં તેણે કરેલા પ્રયોગોની ફલશ્રુતિ રૂપે આમ બન્યું. તેણે કૅથોડ કિરણોનો અભ્યાસ કર્યો અને સિદ્ધ કર્યું કે કૅથોડ કિરણો એ, કૅથોડની ધાતુમાંથી ઉત્સર્જિત થતા ઇલેકટ્રોનનો પ્રવાહ છે. વિશેષત: તેણે ઇલેકટ્રોનના વિદ્યુતભાર (e) અને દળ(m)ના ગુણોત્તર e/mનું ચોક્કસ મૂલ્ય મેળવ્યું. અનેક પ્રયોગો બાદ તેનું ચોક્કસ મૂલ્ય e/m = 1.75882 ± 0.00002 x 1011 કુલમ્બ/કિલોગ્રામ મેળવ્યું. થૉમસને સાબિત કર્યું કે વિદ્યુતક્ષેત્રમાંનું ઇલેકટ્રોન, કણ માટેના ગતિશાસ્ત્રના નિયમોને અનુસરે છે. ગરમ તારમાંથી (ગરમીને કારણે) ઉત્પન્ન થતાં વિદ્યુતકણો, રેડિયો-ઍક્ટિવ પરમાણુઓમાંથી ઉત્સર્જિત થતાં બીટા β) કિરણો તથા પ્રકાશની અસર નીચે કેટલીક ધાતુઓ(ફોટો ઇલેકટ્રિક ધાતુઓ)માંથી બહાર આવતા વિદ્યુતકણો, એ બધા જ કણો, ઇલેકટ્રોન જ છે, એમ પ્રતિપાદન કર્યું. વળી, જુદી જુદી પ્રક્રિયાઓમાંથી ઉત્પન્ન થતા ઇલેકટ્રોન માટે e/mનું મૂલ્ય એકસરખું જ મળે છે. આમ ઇલેકટ્રોનના મૂળભૂત કણની શોધ થઈ, જેને માટે થૉમસનને 1906માં નોબેલ પારિતોષિક એનાયત થયું હતું.
થૉમસન પછી અમેરિકન વિજ્ઞાની રૉબર્ટ મિલિકને ઇલેકટ્રોનનો વિદ્યુતભાર વધુ ચોકસાઈપૂર્વક માપવા માટેના પ્રયોગો કર્યા. મિલિકનના પ્રયોગમાં સૂક્ષ્મદર્શકની મદદથી જોઈ શકાય તેવાં તેલનાં સૂક્ષ્મ ટીપાંઓને ઘર્ષણ દ્વારા વિદ્યુતભારિત કરી, ગુરુત્વાકર્ષણબળની અસર નીચે તેમને નીચે તરફ (અધોદિશામાં) ગતિમય બનાવ્યાં. તેમની આ ગતિની વિરુદ્ધ ઊર્ધ્વદિશામાં વિદ્યુતક્ષેત્ર લગાડીને, વિદ્યુતક્ષેત્રનું મૂલ્ય એ રીતે ગોઠવ્યું કે ગુરુત્વાકર્ષણબળ તેમજ વિદ્યુતબળ બંનેની અસર એકસરખી અને પરસ્પર વિરુદ્ધ થતાં નષ્ટ થઈને ટીપું સ્થિર જણાય. વિદ્યુતબળ, ગુરુત્વબળ, હવાની શ્યાનતા (viscosity), ટીપાંનું વજન વગેરે ગણતરીમાં લઈને મિલિકને પુરવાર કર્યું કે પ્રત્યેક ટીપા ઉપર n.e જેટલો ઋણ વીજભાર હોય છે. અહીં n = પૂર્ણાક સંખ્યા અને e = ઇલેકટ્રોન પરનો એકમ વિદ્યુતભાર છે. આમ વિદ્યુતભાર એ હંમેશાં મૂળ એકમ વિદ્યુતભાર eના પૂર્ણ ગુણાંક(n) રૂપે જ મળે છે, તે હકીકત મિલિકનના પ્રયોગો દ્વારા સાબિત થઈ. મિલિકનના પ્રયોગ પછી પણ અનેક વિજ્ઞાનીઓએ eનું વધુ અને વધુ ચોક્કસ મૂલ્ય મેળવવા માટેના પ્રયોગો ચાલુ જ રાખ્યા.
આજે eનું મૂલ્ય
e = 1.602177 ± 0.00003 x 10–19 કુલંબ અથવા
e = 1.602177 ± 0.00003 x 20–20 e.m.u. (અથવા વેબર) અને
e = 4.8027 ± 0.0003 x 10–10 (e.s.u.) સ્થિર વિદ્યુત એકમો છે.
e.s.u. તથા e.m.u.નાં મૂલ્યોનો ગુણોત્તર = આશરે 
= 3 x 1010= શૂન્યાવકાશમાં પ્રકાશનો વેગ છે.
મિલિકનની આ શોધ માટે તેને પણ 1923માં નોબેલ પારિતોષિક મળ્યું હતું.
થૉમસન તથા મિલિકને મેળવેલાં માપને, બીજા અનેક પ્રયોગો તેમજ સૈદ્ધાંતિક ગણતરીઓ દ્વારા વધુ સાબિતી મળી છે. પરમાણુ માટેનો બોહરનો સિદ્ધાંત, ઉષ્માજન્ય (thermionic) ઇલેકટ્રોન માટેનું રિચાર્ડસનનું સમીકરણ, ન્યૂક્લિયસની બીટા-ક્ષય પ્રક્રિયા માટેનો સિદ્ધાંત વગેરેમાં e તથા m માટેનાં ઉપરનાં મૂલ્યો વાપરવામાં આવેલાં છે. ઇલેકટ્રોનનું દળ (m), ગુરુત્વાકર્ષણ ક્ષેત્રમાં એની ગતિ માપીને, સીધેસીધું મેળવી શકાય તેમ ન હતું. તેથી વિવિધ પરોક્ષ રીતિથી માપન કરીને mનું ચોક્કસ મૂલ્ય મેળવી શકાયું.
m = 9.109390 x 10–28 ગ્રામ અથવા
= 9.109390 x 10–31 કિલોગ્રામ.
આધુનિક યુગમાં વૈજ્ઞાનિક સાધનો એટલાં સક્ષમ બન્યાં છે કે હવે તો ગુરુત્વાકર્ષણના ક્ષેત્રમાં ગતિ કરતા ઇલેકટ્રોનનો પણ અભ્યાસ થઈ શકે છે.
પરમાણુ વર્ણપટના અભ્યાસની શરૂઆત આમ તો ઓગણીસમી સદીના પ્રારંભે થઈ હતી. પરંતુ ઇલેકટ્રોનની શોધ, ક્વૉન્ટમવાદની ઉત્પત્તિ, પરમાણુરચના માટેનો બોહનનો સિદ્ધાંત વગેરેની જાણકારી બાદ, વર્ણપટની અટપટી રચના સમજવાનું વધુ સુગમ બન્યું છે. પરમાણુ વર્ણપટના કેટલાક ગૂંચવાયેલા પ્રશ્નોનો અભ્યાસ કરતાં નેધરલૅન્ડના બે વૈજ્ઞાનિકો (1) ગૌડસ્મીટ અને (2) ઉહલેનબેકે સૂચવ્યું કે ઇલેકટ્રોન સૂક્ષ્મતમ કણ હોવા છતાં તે ભમરડાની જેમ ચાકગતિ ધરાવતું હોવું જોઈએ. આવી ચાકગતિને ‘સ્પિન’ (spin) કહે છે. સ્પિનને કારણે ઇલેકટ્રોન અંતર્ગત કોણીય વેગમાન (angular momentum) ધરાવે છે. તેનું મૂલ્ય ½ (h/2π)જેટલું છે; અહીં.
h = પ્લાન્કનો અચળાંક
= 6.6260755 x 10–27 અર્ગ-સેકન્ડ
અથવા = 6.6260755 x 10–34 જૂલ.સેકન્ડ છે.
કોણીય વેગમાન એ ઇલેકટ્રોનનો અચળ હોય તેવો અંતર્ગત ગુણ છે. ક્વૉન્ટમવાદની વિશિષ્ટતા એ છે કે આ કોણીય વેગમાન જે એક સદિશ છે તેના પ્રક્ષિપ્ત ઘટકનું મૂલ્ય હંમેશાં +
અથવા – જ મળે છે. આ બે મૂલ્યો સિવાય તેને બીજું કોઈ પણ મૂલ્ય હોતું નથી. થોડાં વર્ષો પછી ડિરાક નામના વિજ્ઞાનીએ ક્વૉન્ટમવાદ અને મર્યાદિત (કે વિશિષ્ટ) સાપેક્ષવાદનું સુભગ મિલન દર્શાવતું ઇલેકટ્રોન માટે એક સમીકરણ આપ્યું. આ સમીકરણના અભ્યાસથી ડિરાકે સ્પષ્ટ રીતે સાબિત કર્યું કે ઇલેકટ્રોનને સ્પિન ઉપરાંત ચુંબકીય આઘૂર્ણ (mangetic moment) μ પણ હોય છે; જેનું મૂલ્ય બોહર મૅગ્નેટોન(Bohr Magneton)માં દર્શાવાય છે.
µ = eh / 4 π mc
અહીં c = અવકાશમાં વિદ્યુતચુંબકીય તરંગોનો વેગ છે. પરમાણુ વર્ણપટ તેમજ પદાર્થના ચુંબકીય ગુણધર્મના અભ્યાસ માટે, ઇલેકટ્રોનના સ્પિન તેમજ ચુંબકીય આઘૂર્ણને ગણતરીમાં લેવાં આવશ્યક બને છે.
પ્રશ્ન એ ઉપસ્થિત થાય છે કે ઇલેકટ્રોન માટે હજી કોઈ ઊંડી અંતર્ગત રચના હશે ખરી ? શું તેને કદ તેમજ આકાર હશે ખરાં ? તેનો પ્રત્યુત્તર એ છે કે પ્રવર્તમાન માન્યતા પ્રમાણે ઇલેકટ્રોન અત્યંત સૂક્ષ્મ બિંદુવત્ મૂળભૂત કણ છે, જેને કોઈ આંતરિક રચના નથી. કદ તેમજ આકાર જેવા પ્રશ્નોને પણ કોઈ સ્થાન નથી. કેટલીક ખાસ ગણતરીઓ માટે ઇલેકટ્રોન સાથે e2/mc2ના માપની લંબાઈને સાંકળવામાં આવે છે; પરંતુ તેને ઇલેકટ્રોનના કદ કે ત્રિજ્યા સાથે લેશમાત્ર સંબંધ નથી.
વીસમી સદીની શરૂઆતમાં, અનેક પ્રયોગોના આધારે વિજ્ઞાનીઓએ પ્રતિપાદિત કર્યું કે વિદ્યુતચુંબકીય તરંગો પણ વિશિષ્ટ સંજોગોમાં કણ જેવો ગુણધર્મ દર્શાવે છે. આવૃત્તિ = ν અને તરંગલંબાઈ λ હોય તેવા વિદ્યુતચુંબકીય તરંગો અમુક સંજોગોમાં કણની જેમ વર્તે છે, જેની ઊર્જા E = hν અને વેગમાન p = h/λ હોય છે. 1924માં ફ્રેન્ચ વિજ્ઞાની દ બ્રોલિએ સૂચવ્યું કે ઇલેકટ્રોનનો સૂક્ષ્મ કણ પણ તરંગનો ગુણધર્મ દર્શાવી શકે છે. આ ઇલેકટ્રોનતરંગોની આવૃત્તિ (ν) તેમજ તરંગલંબાઈ (λ) ઉપરનાં સૂત્રો દ્વારા મેળવી શકાય છે. દ બ્રોલિની પરિકલ્પના (hypothesis) અનુસાર ઇલેકટ્રોન સ્વતંત્ર રીતે વિચરતા હોય કે પછી ન્યૂક્લિયસની આસપાસ કોઈ કક્ષામાં ભ્રમણ કરતા હોય ત્યારે તેમને તરંગસ્વરૂપમાં પણ કલ્પી શકાય છે. આ પરિકલ્પનાની પ્રાયોગિક ચકાસણી 1926-27માં અમેરિકામાં ડેવિસન અને ગર્મર તથા ઇંગ્લૅન્ડમાં જી. પી. થૉમસનના પ્રયોગો દ્વારા થઈ. બંનેના પ્રયોગોમાં, ઇલેકટ્રોન કણનો પ્રવાહ જ્યારે ધાતુના સ્ફટિક ઉપર આપાત થાય ત્યારે તેમનું તરંગોની જેમ વિવર્તન (diffraction) થતું જોવા મળ્યું. આ ઉપરથી પુરવાર થયું કે ઇલેકટ્રોન કિરણો પણ x-કિરણોની જેમ જ વર્તે છે અને તેમના વેગમાન (p) અને તરંગલંબાઈ (λ) વચ્ચેનો સંબંધ p = h/λ છે. ઇલેકટ્રોનનો તરંગસહજ વર્તાવ ક્વૉન્ટમવાદને જ આભારી છે.
1928માં ડિરાકે, ઇલેકટ્રોન જેવા સૂક્ષ્મ કણો માટે, ક્વૉન્ટમવાદ અને સાપેક્ષવાદ – એ બંનેને આવરી લેતું એક નવું જ સમીકરણ રજૂ કર્યું. આ સમીકરણના વિશ્લેષણમાંથી એક અજાયબ એવું પૂર્વાનુમાન પ્રાપ્ત થયું. તે એ કે જો ડિરાકનું સમીકરણ સાચું હોય તો કણના પ્રતિકણ (antiparticle) સ્વરૂપે એક નવી જ જાતનો પદાર્થ અસ્તિત્વ ધરાવી શકે છે. ઇલેકટ્રોનના પ્રતિકણ સ્વરૂપે પ્રતિ-ઇલેકટ્રોન (anti-electron) હોવો જોઈએ, જેના વિદ્યુતભાર સિવાયના બીજા બધા જ ગુણધર્મો ઇલેકટ્રોન જેવા હોય. ફક્ત તેનો વિદ્યુતભાર -eને બદલે + e હોય. આ પ્રતિ-ઇલેકટ્રોન ‘પૉઝિટ્રૉન’ના નામે ઓળખાય છે. પૉઝિટ્રૉનની શોધ 1932માં ઍન્ડરસને કરી. અભ્ર કોષ્ઠ(cloud chamber)માં વિશ્વકિરણો(cosmic rays)ના ફોટોગ્રાફ દરમિયાન આ નવું જ કૌતુક જોવા મળ્યું. પછી તો પ્રયોગશાળામાં કૃત્રિમ રીતે ઉત્પન્ન કરેલા પરમાણુઓની બીટા-ક્ષય પ્રક્રિયામાં પણ પૉઝિટ્રૉન જોવા મળ્યા. કેટલાક પ્રયોગોમાં શક્તિશાળી ફોટોન કણો પણ ઇલેકટ્રોન-પૉઝિટ્રૉનની જોડમાં રૂપાંતરિત થતા જોવા મળ્યા છે. પૉઝિટ્રૉન-ઇલેકટ્રોનની જોડ નષ્ટ થઈ તેના સ્થાને બે ફોટોન ઉત્પન્ન થાય છે. ઇલેકટ્રોન-પૉઝિટ્રૉન એકબીજાની સમીપ આવતાં ક્વચિત્ અલ્પકાળ માટે પૉઝિટ્રૉનિયમ જેવો નવો પરમાણુ ઉત્પન્ન થાય છે. પૉઝિટ્રૉનિયમ હાઇડ્રોજનના પરમાણુ જેવો જ હોય છે, જેમાં પ્રોટૉનના સ્થાને પૉઝિટ્રૉન હોય છે. પૉઝિટ્રૉનિયમ પરમાણુ ક્ષણભંગુર હોય છે. છેવટે તે બે કે ત્રણ ફોટોન કણમાં વિલય પામે છે.
અવપારમાણ્વિક સૃષ્ટિ(subatomic world)માં ઇલેકટ્રોન, લૅપ્ટૉન કુળનો કણ ગણાય છે. આ કુળમાં જ ઇલેકટ્રોનના મોટા ભાઈ હોય (દળ સિવાય અન્ય ગુણધર્મો ઇલેકટ્રોન જેવા જ) તેવા બીજા બે કણ પણ જાણીતા છે : (1) ‘મ્યૂઑન’ જે ઇલેકટ્રોન કરતાં લગભગ બસો ગણો ભારે છે; અને (2) હમણાં જ નવો શોધાયેલો ‘ટાઉ’ કણ જે મ્યૂઑન કરતાં આશરે 20 ગણો ભારે છે.
સુધીર પ્ર. પંડ્યા