Wszystko wokół nas na planecie składa się z małych, nieuchwytnych cząstek. Jednym z nich są elektrony. Ich odkrycie nastąpiło stosunkowo niedawno. Otworzyło to nowe idee dotyczące budowy atomu, mechanizmów przesyłania elektryczności i struktury świata jako całości.
Jak podzielono niepodzielne
W nowoczesnym sensie elektrony są cząstkami elementarnymi. Są integralne i nie rozpadają się na mniejsze struktury. Ale taki pomysł nie zawsze istniał. Elektrony były nieznane do 1897 roku.
Nawet myśliciele starożytnej Grecji domyślali się, że każda rzecz na świecie, podobnie jak budynek, składa się z wielu mikroskopijnych „cegieł”. Atom był wtedy uważany za najmniejszą jednostkę materii i ta wiara utrzymywała się przez wieki.
Pojęcie atomu zmieniło się dopiero pod koniec XIX wieku. Po badaniach J. Thomsona, E. Rutherforda, H. Lorentza, P. Zeemana jądra atomowe i elektrony uznano za najmniejsze niepodzielne cząstki. Z biegiem czasu odkryto protony, neutrony, a jeszcze później - neutrina, kaony, mezony pi itp.
Teraz nauka zna ogromną liczbę cząstek elementarnych, wśród których niezmiennie zajmują swoje miejsce elektrony.
Odkrycie nowej cząstki
Do czasu odkrycia elektronów w atomie naukowcy od dawna wiedzieli o istnieniu elektryczności i magnetyzmu. Jednak prawdziwa natura i pełne właściwości tych zjawisk wciąż pozostają tajemnicą, zaprzątającą umysły wielu fizyków.
Już na początku XIX wieku wiedziano, że propagacja promieniowania elektromagnetycznego następuje z prędkością światła. Jednak Anglik Joseph Thomson, przeprowadzając eksperymenty z promieniami katodowymi, doszedł do wniosku, że składają się one z wielu małych ziaren, których masa jest mniejsza niż atomowa.
W kwietniu 1897 Thomson wygłosił prezentację, w której przedstawił społeczności naukowej narodziny nowej cząstki w atomie, którą nazwał korpuskułą. Później Ernest Rutherford, za pomocą eksperymentów z folią, potwierdził wnioski swojego nauczyciela, a ciałkom nadano inną nazwę - „elektrony”.
To odkrycie pobudziło rozwój nie tylko nauk fizycznych, ale także chemicznych. Pozwoliło to na znaczny postęp w badaniu elektryczności i magnetyzmu, właściwości substancji, a także dało początek fizyce jądrowej.
Co to jest elektron?
Elektrony są najlżejszymi cząstkami, które mają ładunek elektryczny. Nasza wiedza na ich temat jest nadal w dużej mierze sprzeczna i niepełna. Na przykład we współczesnych koncepcjach żyją one wiecznie, ponieważ nigdy nie ulegają rozpadowi, w przeciwieństwie do neutronów i protonów (teoretyczny wiek rozpadu tych ostatnich przekracza wiek Wszechświata).
Elektrony są stabilne i mają stały ładunek ujemny e=1,6 x 10-19kl. Należą do rodziny fermionów i grupy leptonów. Cząstki uczestniczą w słabym oddziaływaniu elektromagnetycznym i grawitacyjnym. Znajdują się w atomach. Cząstki, które utraciły kontakt z atomami, są swobodnymi elektronami.
Masa elektronów wynosi 9,1 x 10-31 kg i jest 1836 razy mniejsza niż masa protonu. Mają półcałkowity spin i moment magnetyczny. Elektron jest oznaczony literą „e-”. W ten sam sposób, ale ze znakiem plus, wskazany jest jego antagonista - antycząstka pozytonowa.
Stan elektronów w atomie
Kiedy stało się jasne, że atom składa się z mniejszych struktur, trzeba było dokładnie zrozumieć, jak są w nim ułożone. Dlatego pod koniec XIX wieku pojawiły się pierwsze modele atomu. Zgodnie z modelami planetarnymi protony (naładowane dodatnio) i neutrony (neutralne) tworzą jądro atomowe. A wokół niego elektrony poruszały się po orbitach eliptycznych.
Te idee zmieniają się wraz z pojawieniem się fizyki kwantowej na początku XX wieku. Louis de Broglie wysuwa teorię, że elektron przejawia się nie tylko jako cząstka, ale także jako fala. Erwin Schrödinger tworzy model falowy atomu, w którym elektrony są reprezentowane jako chmura o określonej gęstości z ładunkiem.
Dokładne określenie położenia i trajektorii elektronów wokół jądra jest prawie niemożliwe. W związku z tym wprowadza się specjalną koncepcję „orbitalu” lub „chmury elektronów”, która jest przestrzenią o najbardziej prawdopodobnym położeniunazwane cząstki.
Poziomy energetyczne
W chmurze wokół atomu jest dokładnie tyle elektronów, ile jest protonów w jego jądrze. Wszystkie znajdują się w różnych odległościach. Najbliżej jądra znajdują się elektrony o najmniejszej energii. Im więcej energii mają cząstki, tym dalej mogą się posunąć.
Ale nie są one ułożone losowo, ale zajmują określone poziomy, które mogą pomieścić tylko określoną liczbę cząstek. Każdy poziom ma własną ilość energii i jest podzielony na podpoziomy, a te z kolei na orbitale.
Do opisu właściwości i rozmieszczenia elektronów na poziomach energetycznych używane są cztery liczby kwantowe:
- n - główna liczba określająca energię elektronu (odpowiada numerowi okresu pierwiastka chemicznego);
- l - liczba orbitalna opisująca kształt chmury elektronowej (s - kulisty, p - kształt ósemki, d - kształt koniczyny lub podwójnej ósemki, f - złożony kształt geometryczny);
- m to liczba magnetyczna, która określa orientację chmury w polu magnetycznym;
- ms to liczba spinowa, która charakteryzuje obrót elektronów wokół własnej osi.
Wniosek
Tak więc elektrony są stabilnymi cząsteczkami naładowanymi ujemnie. Są żywiołami i nie mogą się rozpaść na inne elementy. Są klasyfikowane jako cząstki fundamentalne, czyli takie, które są częścią struktury materii.
Elektrony poruszają się wokół jąder atomowych i tworzą ich powłokę elektronową. Wpływają na chemiczne, optyczne,właściwości mechaniczne i magnetyczne różnych substancji. Cząstki te uczestniczą w oddziaływaniu elektromagnetycznym i grawitacyjnym. Ich kierunkowy ruch wytwarza prąd elektryczny i pole magnetyczne.
