Τι είναι ένα ηλεκτρόνιο; Ορισμός και Γεγονότα

Τα ηλεκτρόνια είναι υποατομικά σωματίδια. Τα άτομα αποτελούνται από πρωτόνια, νετρόνια και ηλεκτρόνια. Από αυτά τα τρία σωματίδια, το ηλεκτρόνιο έχει τη μικρότερη μάζα. Εδώ είναι ο ορισμός του ηλεκτρονίου, μαζί με την προέλευση της λέξης, την ιστορία και τα ενδιαφέροντα γεγονότα.

Ορισμός ηλεκτρονίων

Ένα ηλεκτρόνιο είναι ένα σταθερό υποατομικό σωματίδιο με αρνητικό ηλεκτρικό φορτίο. Σε αντίθεση με τα πρωτόνια και τα νετρόνια, τα ηλεκτρόνια δεν κατασκευάζονται από ακόμη μικρότερα συστατικά. Κάθε ηλεκτρόνιο φέρει μία μονάδα αρνητικού φορτίου (1,602 x 10 coulomb) και έχει πολύ μικρή μάζα σε σύγκριση με αυτή ενός νετρονίου ή πρωτονίου. Η μάζα ενός ηλεκτρονίου είναι 9,10938 x 10 kg. Αυτό είναι περίπου το 1/1836 της μάζας ενός πρωτονίου.

Ένα κοινό σύμβολο για ένα ηλεκτρόνιο είναι το e. Το αντισωματίδιο του ηλεκτρονίου, το οποίο φέρει θετικό ηλεκτρικό φορτίο, ονομάζεται ποζιτρόνιο ή αντιηλεκτρόνιο. Ένα ποζιτρόνιο συμβολίζεται με το σύμβολο e ή β. Όταν ένα ηλεκτρόνιο και ένα ποζιτρόνιο συγκρούονται, και τα δύο σωματίδια εκμηδενίζονται και απελευθερώνεται ενέργεια με τη μορφή ακτίνων γάμμα.

Πού να βρείτε ηλεκτρόνια

Τα ηλεκτρόνια βρίσκονται ελεύθερα στη φύση (ελεύθερα ηλεκτρόνια) και δεσμευμένα μέσα στα άτομα. Τα ηλεκτρόνια είναι υπεύθυνα για το αρνητικά φορτισμένο συστατικό ενός ατόμου. Σε ένα άτομο, τα ηλεκτρόνια περιφέρονται γύρω από τον θετικά φορτισμένο ατομικό πυρήνα.

Στα στερεά, τα ηλεκτρόνια είναι το κύριο μέσο αγωγής του ρεύματος. Αυτό συμβαίνει επειδή τα πρωτόνια είναι συνδεδεμένα μέσα στον πυρήνα, επομένως δεν είναι τόσο κινητά όσο τα ηλεκτρόνια. Στα υγρά, οι φορείς ρεύματος είναι πιο συχνά ιόντα. Οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ των ηλεκτρονίων των ατόμων και των μορίων προκαλούν χημικές αντιδράσεις. Οι χημικοί δεσμοί σχηματίζονται όταν τα ηλεκτρόνια μοιράζονται μεταξύ των ατόμων.

Ιστορία και προέλευση λέξης

Η πιθανότητα ηλεκτρονίων προβλέφθηκε από τον Richard Laming (1838-1851), τον Ιρλανδό φυσικό G. Johnstone Stoney (1874) και άλλους επιστήμονες. Ο όρος «ηλεκτρόνιο» προτάθηκε για πρώτη φορά από τον Stoney το 1891, αν και το ηλεκτρόνιο ανακαλύφθηκε μόλις το 1897, από τον Βρετανό φυσικό J.J. Thomson.

Αν και οι επιστήμες ηλεκτρονίων χρονολογούνται στον 19ο και τον 20ο αιώνα, οι λέξεις «ηλεκτρόνιο» και «ηλεκτρισμός» εντοπίζουν την προέλευσή τους στους αρχαίους Έλληνες. Η αρχαία ελληνική λέξη για το κεχριμπάρι ήταν ηλεκτρον. Οι Έλληνες παρατήρησαν ότι το τρίψιμο της γούνας με κεχριμπάρι έκανε το κεχριμπάρι να προσελκύει μικρά αντικείμενα. Αυτός είναι ο παλαιότερος καταγεγραμμένος πειραματισμός με τον ηλεκτρισμό. Ο Άγγλος επιστήμονας William Gilbert επινόησε τον όρο "electricus" για να αναφερθεί σε αυτήν την ελκυστική ιδιότητα.

Γεγονότα ηλεκτρονίων

• Τα ηλεκτρόνια θεωρούνται ως ένας τύπος στοιχειώδους σωματιδίου επειδή δεν αποτελούνται από μικρότερα συστατικά. Είναι ένας τύπος σωματιδίων που ανήκει στην οικογένεια των λεπτονίων και έχουν τη μικρότερη μάζα από οποιοδήποτε φορτισμένο λεπτόνιο ή άλλο φορτισμένο σωματίδιο.
• Στην κβαντική μηχανική, τα ηλεκτρόνια θεωρούνται πανομοιότυπα μεταξύ τους επειδή δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί καμία εγγενής φυσική ιδιότητα για τη διάκρισή τους. Τα ηλεκτρόνια μπορούν να ανταλλάξουν θέσεις μεταξύ τους χωρίς να προκαλέσουν παρατηρήσιμη αλλαγή σε ένα σύστημα.
• Τα πρωτόνια και τα ηλεκτρόνια έχουν ίσα, αλλά αντίθετα φορτία. Τα ηλεκτρόνια έλκονται από θετικά φορτισμένα σωματίδια, όπως τα πρωτόνια.
• Το αν μια ουσία έχει καθαρό ηλεκτρικό φορτίο ή όχι καθορίζεται από την ισορροπία μεταξύ του αριθμού των ηλεκτρονίων και του θετικού φορτίου των ατομικών πυρήνων. Εάν υπάρχουν περισσότερα ηλεκτρόνια από θετικά φορτία, ένα υλικό λέγεται ότι είναι αρνητικά φορτισμένο. Εάν υπάρχει περίσσεια πρωτονίων, το αντικείμενο θεωρείται θετικά φορτισμένο. Εάν ο αριθμός των ηλεκτρονίων και των πρωτονίων είναι ισορροπημένος, ένα υλικό λέγεται ότι είναι ηλεκτρικά ουδέτερο.
• Τα ηλεκτρόνια σε ένα μέταλλο συμπεριφέρονται σαν να ήταν ελεύθερα ηλεκτρόνια και μπορούν να κινηθούν για να δημιουργήσουν μια καθαρή ροή φορτίου που ονομάζεται ηλεκτρικό ρεύμα. Όταν τα ηλεκτρόνια (ή τα πρωτόνια) κινούνται, δημιουργείται ένα μαγνητικό πεδίο.
• Τα ηλεκτρόνια έχουν ιδιότητες τόσο των σωματιδίων όσο και των κυμάτων. Μπορούν να διαθλαστούν, όπως τα φωτόνια, αλλά μπορούν να συγκρουστούν μεταξύ τους και με άλλα σωματίδια, όπως άλλη ύλη.
• Η ατομική θεωρία περιγράφει τα ηλεκτρόνια που περιβάλλουν τον πυρήνα πρωτονίου/νετρονίου ενός ατόμου σε κελύφη. Αυτά τα κελύφη είναι περιοχές πιθανοτήτων. Μερικά είναι σφαιρικά, αλλά υπάρχουν και άλλα σχήματα. Αν και είναι θεωρητικά δυνατό να βρεθεί ένα ηλεκτρόνιο στον ατομικό πυρήνα, η μεγαλύτερη πιθανότητα να βρεθεί ένα ηλεκτρόνιο είναι μέσα στο περίβλημά του.
• Ένα ηλεκτρόνιο έχει σπιν ή εγγενή γωνιακή ορμή 1/2.
• Οι επιστήμονες είναι σε θέση να απομονώσουν και να παγιδεύσουν ένα μόνο ηλεκτρόνιο σε μια συσκευή που ονομάζεται παγίδα Penning.
• Από την εξέταση μεμονωμένων ηλεκτρονίων, οι ερευνητές βρήκαν ότι η μεγαλύτερη ακτίνα ηλεκτρονίων είναι 10 μέτρα. Επειδή τα ηλεκτρόνια είναι πολύ μικρά, αντιμετωπίζονται σαν σημειακά φορτία, τα οποία είναι ηλεκτρικά φορτία χωρίς φυσικές διαστάσεις.
• Η ύλη είναι πολύ πιο άφθονη από την αντιύλη στο σύμπαν, αλλά μπορεί κάποτε να υπήρχαν ίσοι αριθμοί ηλεκτρονίων και ποζιτρονίων. Σύμφωνα με τη θεωρία του Big Bang, τα φωτόνια απέκτησαν αρκετή ενέργεια μέσα στο πρώτο χιλιοστό του δευτερολέπτου της έκρηξης για να αντιδράσουν μεταξύ τους για να σχηματίσουν ζεύγη ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων. Αυτά τα ζεύγη εξολοθρεύονταν μεταξύ τους, εκπέμποντας φωτόνια. Για άγνωστους λόγους, ήρθε μια εποχή που υπήρχαν περισσότερα ηλεκτρόνια από ποζιτρόνια και περισσότερα πρωτόνια από αντιπρωτόνια. Τα πρωτόνια, τα νετρόνια και τα ηλεκτρόνια που επέζησαν άρχισαν να αντιδρούν μεταξύ τους, σχηματίζοντας άτομα.
• Τα ηλεκτρόνια χρησιμοποιούνται σε πολλές πρακτικές εφαρμογές. Αυτά περιλαμβάνουν ηλεκτρική ενέργεια, σωλήνες κενού, σωλήνες φωτοπολλαπλασιαστή, καθοδικούς σωλήνες, δέσμες σωματιδίων για έρευνα και συγκόλληση και το λέιζερ ελεύθερου ηλεκτρονίου.

Αναφορές

• Buchwald, J.Z.; Warwick, A. (2001). Ιστορίες του ηλεκτρονίου:Η γέννηση της μικροφυσικής . Τύπος MIT. σελ. 195–203. ISBN 978-0-262-52424-7.
• Thomson, J.J. (1897). «Καθοδικές Ακτίνες». Philosophical Magazine . 44 (269):293–316. doi:10.1080/14786449708621070