Ποιο είναι το φορτίο ενός ηλεκτρονίου;

Το φόρτιση ενός ηλεκτρονίου ισούται με το αντίστροφο (αντίθετο) του μεγέθους του στοιχειώδους φορτίου. Η τιμή του στοιχειώδους φορτίου είναι περίπου 1,602 x 10-19 κουλόμπ, επομένως αυτό σημαίνει ότι το φορτίο ενός ηλεκτρονίου είναι -1,602 x 10-19. Αυτή είναι η γρήγορη εκδοχή του φορτίου ενός ηλεκτρονίου, αλλά θα ήταν ωφέλιμο να εξετάσουμε τι είναι ένα στοιχειώδες φορτίο και πώς επηρεάζει τις ιδιότητες των ηλεκτρονίων.

Ηλεκτρόνια και στοιχειώδη φορτία

Τα ηλεκτρόνια είναι υποατομικά σωματίδια με αρνητικό στοιχειώδες φορτίο. Τα ηλεκτρόνια λέγεται ότι είναι στοιχειώδη σωματίδια επειδή δεν έχουν γνωστές υποδομές ή συστατικά. Τα στοιχειώδη σωματίδια είναι αυτά που δημιουργούν τα άτομα και τα άλλα στοιχειώδη σωματίδια τα σωματίδια που είναι γνωστά ως φερμιόνια. Τα φερμιόνια περιλαμβάνουν λεπτόνια, μποζόνια και κουάρκ. Αυτά τα σωματίδια αποτελούν όλα όσα γνωρίζουμε στο σύμπαν. Κάποτε πίστευαν ότι τα πρωτόνια και τα νετρόνια ήταν στοιχειώδη σωματίδια, αλλά η κβαντική θεωρία δείχνει ότι έχουν κουάρκ. Ωστόσο, τα ηλεκτρόνια που δεν βρίσκονται σε τροχιά γύρω από έναν ατομικό πυρήνα εξακολουθούν να θεωρούνται στοιχειώδη σωματίδια.

Τα ηλεκτρόνια είναι συστατικά των ατόμων, όπως τα πρωτόνια και τα νετρόνια. Τα ηλεκτρόνια λέγεται ότι έχουν αρνητικό στοιχειώδες φορτίο ενώ τα πρωτόνια θεωρούνται ότι έχουν θετικό φορτίο και τα νετρόνια χωρίς φορτίο. Το στοιχειώδες φορτίο ενός σωματιδίου είναι μια φυσική σταθερά, μια ιδιότητα των πρωτονίων και των νετρονίων που δεν αλλάζουν. Το ηλεκτρικό φορτίο που μεταφέρεται από ένα μόνο πρωτόνιο είναι το στοιχειώδες φορτίο του και τυπικά συμβολίζεται ως "e" ενώ το ηλεκτρικό φορτίο που μεταφέρεται από ένα μόνο ηλεκτρόνιο συνήθως συμβολίζεται ως "-e".

Η τιμή ενός θετικού στοιχειώδους φορτίου συνήθως δίνεται ως περίπου 1,602(98)×10−19 C ενώ η τιμή ενός αρνητικού στοιχειώδους φορτίου συνήθως δίνεται ως -1,602(98)×10−19 C. Το μέγεθος του στοιχειώδους φορτίου ήταν μετρήθηκε αρχικά με ένα πείραμα πτώσης λαδιού που διεξήχθη από τον Robert A. Millikan το 1909.

Πείραμα του Millikan

Το πείραμα του Millikan περιλάμβανε μερικά διαφορετικά πράγματα:ένα περίβλημα που περιέχει ηλεκτρικά φορτισμένες σταγόνες λαδιού, ένα ομοιόμορφο αλλά ρυθμιζόμενο ηλεκτρικό πεδίο, έναν μετρητή ικανό να προσδιορίσει το μέγεθος του πεδίου και ένα σύστημα ικανό να μετρήσει τις ακτίνες των σταγόνων λαδιού. Ο Μίλικαν ήθελε να προσδιορίσει πώς ένα ομοιόμορφο ηλεκτρικό πεδίο άλλαξε την τροχιά της πτώσης σταγόνων λαδιού. Ο Μίλικαν κατάλαβε ότι μπορούσε εύκολα να υπολογίσει τη δύναμη και τη μάζα (το βάρος) που ασκεί η βαρύτητα σε οποιαδήποτε δεδομένη ουσία, αν γνώριζε τις διαστάσεις και την πυκνότητα της εν λόγω ουσίας. Εξάλλου, το βάρος είναι απλώς μάζα επί βαρύτητας. Ωστόσο, ήταν περίεργος για το πώς οι φορτισμένες σταγόνες λαδιού θα αντιδρούσαν διαφορετικά στη βαρύτητα.

Εάν μια σταγόνα λαδιού υποβληθεί μόνο στη βαρύτητα, θα πέσει ελεύθερα, ωστόσο εάν οι σταγόνες λαδιού φορτιστούν ηλεκτρικά κάτι άλλο συμβαίνει. Εάν οι σταγόνες λαδιού αφεθούν σε ένα ομοιόμορφο ηλεκτρικό πεδίο, η τροχιά των σταγόνων λαδιού θα αλλάξει ανάλογα με το μέγεθος και την κατεύθυνση του ηλεκτρικού πεδίου.

Υποθέτοντας ότι οι δυνάμεις μέσα στο ηλεκτρικό πεδίο κατευθύνονται αντίθετα από την επίδραση της βαρύτητας, η καθοδική ταχύτητα της πτώσης είναι πιθανό να επηρεαστεί και μπορεί να μειωθεί. Σε ένα ορισμένο σημείο, η καθοδική ταχύτητα της πτώσης θα είναι ίση με την ανοδική δύναμη και το σωματίδιο θα παραμείνει αιωρούμενο στον αέρα καθώς η ταχύτητα τείνει προς το μηδέν. Κατά τη διάρκεια αυτής της χρονικής στιγμής, το φορτίο μπορεί να εξαχθεί με τον υπολογισμό της επίδρασης του ηλεκτρικού πεδίου σε ένα μόνο σωματίδιο. Το μόνο που απαιτείται για να γίνει αυτός ο υπολογισμός είναι να γνωρίζετε το βάρος κάθε σωματιδίου και το μέγεθος του ηλεκτρικού πεδίου.

Ο Millikan και ο συνάδελφός του εργάστηκαν για να προσδιορίσουν το φορτίο ενός μόνο σωματιδίου επαναλαμβάνοντας απλώς το πείραμα και σημειώνοντας τυχόν αλλαγές στα αποτελέσματα. Τελικά κατάφεραν να λάβουν τιμές για το στοιχειώδες φορτίο ηλεκτρονίων που είναι εξαιρετικά κοντά (μέσα στο 1%) της τιμής που χρησιμοποιούν σήμερα οι επιστήμονες.

Η δομή των ατόμων

Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, τα άτομα αποτελούνται από ηλεκτρόνια, πρωτόνια και νετρόνια. Τα πρωτόνια και τα νετρόνια είναι ουσιαστικά βαρύτερα και μεγαλύτερα από τα ηλεκτρόνια, και μαζί βρίσκονται στο κέντρο του ατόμου, δημιουργώντας τον πυρήνα του ατόμου. Τα ηλεκτρόνια κυκλώνουν τον πυρήνα του ατόμου σε μια δομή που αναφέρεται ως «νέφος ηλεκτρονίων». Το νέφος ηλεκτρονίων είναι εξαιρετικά απλωμένο σε σύγκριση με τον πυρήνα, με ακτίνα περίπου 10.000 φορές μεγαλύτερη από την ακτίνα του πυρήνα. Τα ηλεκτρόνια έχουν επίσης πολύ μικρότερη μάζα από τα πρωτόνια, ένα πρωτόνιο έχει περίπου 1800 φορές το βάρος ενός ηλεκτρονίου.

Ένα άτομο θα έχει πάντα έναν αριθμό πρωτονίων ίσο με τον αριθμό των ηλεκτρονίων του. Ο αριθμός των νετρονίων είναι συχνά ακριβώς ίσος με τον αριθμό των πρωτονίων επίσης. Εάν ένα νετρόνιο προστεθεί σε ένα άτομο, σχηματίζει ένα ισότοπο, μια μεγαλύτερη εκδοχή αυτού του ατόμου. Αντίθετα, η εισαγωγή ενός πρωτονίου σε ένα άτομο το μετατρέπει σε ένα νέο στοιχείο.

Ο αριθμός των πρωτονίων που έχει ένα άτομο είναι αυτός που καθορίζει ποιο στοιχείο είναι το άτομο. Για παράδειγμα, τα άτομα οξυγόνου έχουν οκτώ πρωτόνια ενώ τα άτομα άνθρακα έχουν έξι πρωτόνια και τα άτομα υδρογόνου έχουν μόνο ένα πρωτόνιο. (Ο αριθμός πρωτονίων είναι αυτός που καθορίζει τον ατομικό αριθμό του στοιχείου στον περιοδικό πίνακα των στοιχείων.)

Τα ηλεκτρόνια περιφέρονται γύρω από τον πυρήνα του ατόμου. Τα ηλεκτρόνια περιφέρονται γύρω από τον πυρήνα σε στρώματα γνωστά ως κελύφη και το εξωτερικό περίβλημα του ατόμου ονομάζεται κέλυφος σθένους. Αυτό το κέλυφος σθένους είναι συνήθως το μόνο κέλυφος που είναι σημαντικό να ληφθεί υπόψη όταν πρόκειται για χημεία. Οι χημικοί πρέπει να χρησιμοποιούν τη διαμόρφωση των ηλεκτρονίων του ατόμου, λαμβάνοντας υπόψη τις θέσεις των ηλεκτρονίων, για να προβλέψουν τις ιδιότητες που έχει ένα άτομο ενός συγκεκριμένου στοιχείου (όπως αγωγιμότητα, σταθερότητα, σημείο βρασμού κ.λπ.)

Το νετρόνιο, επειδή δεν έχει φορτίο, αποτελεί ένα καλό σημείο αναφοράς για τον προσδιορισμό της μάζας τόσο των ηλεκτρονίων όσο και των πρωτονίων. Τα νετρόνια έχουν μάζα περίπου 1,6749×10-27 kg. Η ύπαρξη του νετρονίου επιβεβαιώθηκε κατά τη διάρκεια ενός πειράματος όπου άτομα εκτοξεύτηκαν σε ένα φύλλο βηρυλλίου, η πράξη του οποίου απελευθέρωσε νετρόνια. Τα νετρόνια βρίσκονται με τους ατομικούς πυρήνες κάθε ατόμου, εκτός από τα άτομα του υδρογόνου-1. Η μάζα ενός νετρονίου είναι μόνο λίγο μεγαλύτερη από τη μάζα ενός πρωτονίου.