Οριστική μάζα ενός ηλεκτρονίου
Ένα ηλεκτρόνιο είναι ένα υποατομικό σωματίδιο που έχει μια θεμελιώδη μονάδα αρνητικού φορτίου e . Το ηλεκτρόνιο είναι ένα από τα πιο σημαντικά σωματίδια στο Καθιερωμένο μοντέλο της σωματιδιακής φυσικής και είναι ένα από τα 3 κύρια συστατικά (μαζί με το πρωτόνιο και το νετρόνιο) της συνηθισμένης βαρυονικής ύλης. Τα ηλεκτρόνια θεωρούνται στοιχειώδη σωματίδια επειδή δεν φαίνεται να έχουν μικρότερα μέρη ή υποδομές.
Οι πιο ακριβείς καταγεγραμμένες μετρήσεις του ηλεκτρονίου του δίνουν μια μάζα 0,000548579909067 amu , που ισούται με 9,109382902843941771×10 kg . Αυτή η ποσότητα είναι περίπου ίση με το 1/1836 της μάζας ενός πρωτονίου. Ως εκ τούτου, το ηλεκτρόνιο είναι μακράν η μικρότερη μάζα από τα κανονικά υποατομικά σωματίδια.
Τα ηλεκτρόνια είναι άμεσα υπεύθυνα για το μεγαλύτερο μέρος της φυσικής και χημικής συμπεριφοράς μιας ουσίας. Ο χημικός δεσμός καθορίζεται από τη δραστηριότητα των ηλεκτρονίων, το μοριακό σχήμα καθορίζεται από το ηλεκτροστατικό δυναμικό, το χρώμα καθορίζεται από την απορρόφηση του φωτός από τα ηλεκτρόνια και η συμπεριφορά φάσης των ουσιών (πάγωμα, τήξη, εξάχνωση κ.λπ. εξαρτάται από τις διαμοριακές ηλεκτροστατικές αλληλεπιδράσεις. Τα ηλεκτρόνια (μαζί με θετικά φορτισμένα σωματίδια όπως τα πρωτόνια) είναι υπεύθυνα για τα φαινόμενα του ηλεκτρομαγνητισμού.
Ιδιότητες των ηλεκτρονίων
Τα ηλεκτρόνια θεωρούνται στοιχειώδη σωματίδια, που σημαίνει ότι δεν έχουν κατάλληλα μέρη ή υποδομές. Κάθε ηλεκτρόνιο έχει ηλεκτρικό φορτίο περίπου −1,602×10 κουλόμπ. Το φορτίο που κατέχει το ηλεκτρόνιο είναι η μικρότερη δυνατή αρνητική μονάδα ηλεκτρικού φορτίου, επομένως η τιμή του ονομάζεται συχνά στοιχειώδη μονάδα δωρεάν. Αυτό το φορτίο είναι ακριβώς ίσο και αντίθετο με το φορτίο ενός μοναδικού πρωτονίου.
Εκτός από το φορτίο, κάθε ηλεκτρόνιο έχει μια ιδιότητα που ονομάζεται spin . Κάθε ηλεκτρόνιο έχει ένα εγγενές σπιν 1/2. Το σπιν ενός ηλεκτρονίου καθορίζει την ισχύ της μαγνητικής ροπής που παράγει και πώς το ηλεκτρόνιο εκτρέπεται σε ένα ηλεκτρομαγνητικό πεδίο. Το σπιν μερικές φορές παρομοιάζεται με την κλασική ιδιότητα της γωνιακής ορμής, καθώς στην κλασική φυσική, ένα φορτισμένο σώμα που περιστρέφεται γύρω από τον άξονά του θα παράγει ένα μαγνητικό πεδίο. Στην πραγματικότητα, αυτή η αναλογία είναι ανεπαρκής. Τα ηλεκτρόνια δεν είναι μικροσκοπικά σφαιρικά σώματα που περιστρέφονται γύρω από τον άξονά τους. Είναι σημειακά σωματίδια και σε αντίθεση με τη γωνιακή ορμή των κλασικών σωμάτων, η οποία είναι μια συνεχής τιμή, το σπιν ηλεκτρονίων έρχεται πάντα σε διακριτές κβαντισμένες τιμές. Αντίθετα, το σπιν πρέπει να θεωρείται ως μια εγγενής ιδιότητα των ηλεκτρονίων, μοναδική στο κβαντικό βασίλειο.
Όπως όλα τα σωματίδια, τα ηλεκτρόνια παρουσιάζουν κυματοειδείς ιδιότητες. Ένα ηλεκτρόνιο μπορεί να αναπαρασταθεί από μια μαθηματική συνάρτηση που ονομάζεται κυματική συνάρτηση (ψ) που περιγράφει την εξέλιξη της θέσης και της ορμής του ηλεκτρονίου με την πάροδο του χρόνου. Ο τετραγωνισμός της συνάρτησης κύματος δίνει μια πυκνότητα πιθανότητας που δείχνει την πιθανότητα να βρεθεί ένα ηλεκτρόνιο σε μια δεδομένη θέση κατά την πραγματοποίηση μιας μέτρησης.
Ηλεκτρόνια σε άτομα
Η περισσότερη παραδοσιακή κατανόηση των ηλεκτρονίων προέρχεται από τις παρατηρήσεις μας για αυτά στα άτομα. Τα ηλεκτρόνια συνδέονται με πυρήνες που περιέχουν πρωτόνια και νετρόνια λόγω ηλεκτροστατικής έλξης. Γενικά, για ένα ουδέτερο άτομο, υπάρχουν ίσες ποσότητες πρωτονίων και ηλεκτρονίων. Ένα κανονικό άτομο άνθρακα έχει 6 πρωτόνια και 6 ηλεκτρόνια. Τα φορτία των πρωτονίων και των ηλεκτρονίων ακυρώνονται και ολόκληρο το άτομο είναι ηλεκτρικά ουδέτερο. Τα άτομα μπορούν να αποκτήσουν ή να χάσουν ηλεκτρόνια για να γίνουν ιόν. Η απόκτηση ηλεκτρονίων δημιουργεί αρνητικά φορτισμένα ιόντα που ονομάζονται ανιόντα. Η απώλεια ηλεκτρονίων δημιουργεί θετικά φορτισμένα ιόντα που ονομάζονται κατιόντα.
Γενικά, τα ηλεκτρόνια που συνδέονται με τα άτομα μπορούν να υπάρχουν μόνο σε ορισμένες προκαθορισμένες καταστάσεις. Αυτές οι καταστάσεις ονομάζονται ατομικά τροχιακά. Τα τροχιακά έχουν ένα προκαθορισμένο σχήμα που καθορίζει τις ποιότητες των ηλεκτρονίων που βρίσκονται εκεί. Το πιο σημαντικό, κάθε τροχιακό έχει μια συγκεκριμένη ποσότητα καταστάσεων και κανένα ηλεκτρόνιο δεν μπορεί να καταλάβει την ίδια κατάσταση ταυτόχρονα. Αυτό είναι γνωστό ως αρχή αποκλεισμού Pauli , που δηλώνει ότι κανένα ηλεκτρόνιο δεν μπορεί να βρίσκεται στο ίδιο μέρος την ίδια στιγμή με την ίδια ενέργεια. Εάν δύο ηλεκτρόνια υπάρχουν στην ίδια κατάσταση, πρέπει να έχουν αντίθετους αριθμούς σπιν +1/2 και −1/2.
Τα άτομα σχηματίζουν χημικούς δεσμούς είτε αφαιρώντας ηλεκτρόνια και έλκοντας το παραγόμενο ιόν είτε μοιράζοντας από κοινού ηλεκτρόνια. Οι ενώσεις που σχηματίζονται με τον προηγούμενο τρόπο ονομάζονται ιοντικές ενώ οι ενώσεις που σχηματίζονται με τον δεύτερο τρόπο ονομάζονται ομοιοπολικές.
Όταν τα άτομα μοιράζονται ηλεκτρόνια, το κάνουν συνδυάζοντας τα ατομικά τροχιακά τους για να δημιουργήσουν μοριακά τροχιακά. Όταν τα ατομικά τροχιακά συνδυάζονται, το μοριακό τροχιακό παίρνει ένα ξεχωριστό σχήμα που είναι ένας συνδυασμός των δύο ατομικών τροχιακών. Παρόμοια με τον τρόπο με τον οποίο τα κύματα σε μια λίμνη θα παρεμβαίνουν και θα δημιουργούν νέα μοτίβα κυμάτων, τα στάσιμα κύματα των τροχιακών ηλεκτρονίων συνδυάζονται για να δημιουργήσουν ένα νέο σταθερό σχήμα.
Η δεσμευτική συμπεριφορά των στοιχείων καθορίζεται από τα εξωτερικά ηλεκτρόνια τους, που ονομάζονται ηλεκτρόνια σθένους. Τα περισσότερα στοιχεία θα σχηματίσουν χημικούς δεσμούς μέχρι να επιτύχουν ένα πλήρες εξωτερικό περίβλημα 8 ηλεκτρονίων. η τάση των στοιχείων να γεμίζουν το εξωτερικό τους περίβλημα με 8 ηλεκτρόνια ονομάζεται κανόνας οκτάδας . Ο κανόνας της οκτάδας, σε συνδυασμό με τον κανόνα που διέπει την ηλεκτραρνητικότητα, μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την πρόβλεψη της σύνθεσης των περισσότερων ενώσεων της κύριας ομάδας.
Εκτός από τον προσδιορισμό της συμπεριφοράς χημικού δεσμού των στοιχείων και των ενώσεων, τα ηλεκτρόνια καθορίζουν επίσης μια σειρά από τις φυσικές τους ιδιότητες. Προφανώς, τα ηλεκτρόνια είναι υπεύθυνα για να δίνουν στα αντικείμενα το χρώμα τους. Όταν το φως χτυπά ένα αντικείμενο, τα φωτόνια στο φως διεγείρουν τα ηλεκτρόνια, αναγκάζοντάς τα να πάνε σε μια υψηλότερη ενεργειακή κατάσταση. Όταν το ηλεκτρόνιο πέφτει πίσω στο αρχικό του επίπεδο ενέργειας, φτύνει ένα φωτόνιο (δηλαδή κύμα φωτός). Το φως που αντανακλάται στο μάτι του παρατηρητή είναι το χρώμα που φαίνεται να είναι το αντικείμενο. Η ακριβής διαμόρφωση ηλεκτρονίων καθορίζει το μήκος κύματος του φωτός που ανακλάται, και έτσι καθορίζει το χρώμα ενός αντικειμένου.
Τα ηλεκτρόνια εξηγούν επίσης τις διαμοριακές αλληλεπιδράσεις μεταξύ ουσιών, με τη μορφή της πολικότητας και των δυνάμεων Van der Waals. Τα πολικά μόρια έχουν μερικά φορτία λόγω της ανομοιόμορφης κατανομής των ηλεκτρονίων. Οι πολικές αλληλεπιδράσεις μεταξύ των μορίων επηρεάζουν το σημείο πήξης, το σημείο τήξης, το σημείο βρασμού, την ειδική θερμοχωρητικότητα και τον θερμοδυναμικό ρυθμό απορρόφησης.
Τέλος, το ηλεκτρόνιο καθορίζει επίσης τη μοριακή γεωμετρία. Στις ενώσεις με ομοιοπολικούς δεσμούς, τα ηλεκτρόνια θα εξαπλωθούν ώστε να ελαχιστοποιηθεί το ηλεκτρικό δυναμικό μεταξύ τους. Το αποτέλεσμα είναι ότι αν κάποιος γνωρίζει πώς είναι διατεταγμένα τα ηλεκτρόνια σε μια ένωση, μπορεί να προβλέψει τι γεωμετρικό σχήμα έχει ένα μόριο αυτής της ένωσης. Ο κλάδος της χημείας που επικεντρώνεται στην πρόβλεψη του γεωμετρικού σχήματος από τη διάταξη ηλεκτρονίων ονομάζεται θεωρία VESPR.
Τα ηλεκτρόνια είναι επίσης ο κύριος φορέας που ευθύνεται για τα φαινόμενα του ηλεκτρισμού. Το ηλεκτρικό ρεύμα αποτελείται από την κίνηση αρνητικά φορτισμένων ηλεκτρονίων μέσω μιας ουσίας. Η κίνηση των φορτισμένων σωματιδίων παράγει έργο, επομένως η ενέργεια από την ηλεκτρική ενέργεια μπορεί να αξιοποιηθεί για την εκτέλεση φυσικών εργασιών.
Ιστορία του ηλεκτρονίου
Οι άνθρωποι γνώριζαν τα ηλεκτρικά φαινόμενα τουλάχιστον από τους Αρχαίους Έλληνες. Ο Πλίνιος ο Πρεσβύτερος έδειξε ότι ένα θερμαινόμενο κομμάτι κεχριμπαριού θα προσέλκυε μικρά κομμάτια πριονιδιού και θα απωθούσε τα θραύσματα σιδήρου. Μόνο τα τελευταία 300 περίπου χρόνια έχουμε αναπτύξει μια εξελιγμένη θεωρητική κατανόηση των αιτιών των ηλεκτρικών δυνάμεων.
Το 1700, τα πειράματα με τον στατικό ηλεκτρισμό οδήγησαν τους επιστήμονες να σκεφτούν ότι οι ηλεκτρικές δυνάμεις προκαλούνται από δύο τύπους αντίθετων ρευστών που ονομάζονται υαλώδη και ρητινώδη, τα οποία θα μπορούσαν να διαχωριστούν με την τριβή και να έλκονται μεταξύ τους. Ήταν περίπου εκείνη την εποχή που ο Benjamin Franklin πρότεινε ότι τα δύο ρευστά ήταν στην πραγματικότητα ένα μεμονωμένο υγρό με θετική περίσσεια (+) ή αρνητικό έλλειμμα (−), δίνοντας έτσι τις σύγχρονες σημειώσεις θετικού και αρνητικού φορτίου.
Στη δεκαετία του 1800, οι επιστήμονες άρχισαν να δέχονται μια εικόνα του ατόμου ως αποτελούμενο από υποατομικά σωματίδια με μοναδιαία ηλεκτρικά φορτία. Το 1874, ο Ιρλανδός φυσικός George Stoney διατύπωσε τη θεωρία ότι υπήρχε κάποιο σωματίδιο με μια θεμελιώδη μονάδα αρνητικού ηλεκτρικού φορτίου, ένα θεωρητικό σωματίδιο που ονόμασε αρχικά «ηλεκτρόλιον» και αργότερα «ηλεκτρόνιο». Εκείνη την εποχή, ο Stoney δεν είχε καμία οριστική απόδειξη για την ύπαρξη ενός τέτοιου σωματιδίου, αλλά το υπέθεσε με βάση τον τρόπο με τον οποίο ο ηλεκτρισμός διεξάγεται μεταξύ των αντικειμένων.
Το ηλεκτρόνιο όπως το καταλαβαίνουμε στις μέρες μας ανακαλύφθηκε και αναγνωρίστηκε από τον Βρετανό φυσικό J.J Thompson. Το 1897, ο Thompson απέδειξε ότι οι καθοδικές ακτίνες αποτελούνται από αρνητικά φορτισμένα σωματίδια που είχαν πολύ μεγάλο φορτίο σε σχέση με τη μάζα τους. Ο Thompson ήθελε αρχικά να ονομάσει τα σωματίδια «σωμάτια», αλλά άλλοι επιστήμονες προτίμησαν το όνομα «ηλεκτρόνιο», το οποίο είχε προτείνει ο Stoney 9 χρόνια νωρίτερα. Το 1911, ο Robert Millikan δημοσίευσε τα αποτελέσματά του από το περίφημο πείραμά του σταγόνας λαδιού που μέτρησε με ακρίβεια το ακριβές φορτίο ενός μόνο ηλεκτρονίου.
Το 1913, ο Δανός φυσικός Niels Bohr διατύπωσε τη θεωρία ότι τα ηλεκτρόνια υπάρχουν γύρω από τα άτομα σε καθορισμένες ενεργειακές καταστάσεις, δημιουργώντας την πρώτη κβαντομηχανική εικόνα του ηλεκτρονίου. Το 1924, ο Louis de Broglie δημοσίευσε τη διδακτορική του διατριβή, στην οποία υπέθεσε ότι όλα τα σωματίδια, συμπεριλαμβανομένων των ηλεκτρονίων, είχαν φύση διπλού κύματος-σωματιδίου. Αυτή η συνειδητοποίηση οδήγησε τον Erwin Schrödinger το 1926 να αναπτύξει τη μαθηματική έννοια της κυματικής συνάρτησης, μια μαθηματική συνάρτηση που περιγράφει την κυματική συμπεριφορά του ηλεκτρονίου. Περαιτέρω εργασία στην εξίσωση της κυματικής συνάρτησης του Schrödinger οδήγησε στην ανακάλυψη του αντισωματιδίου του ηλεκτρονίου, του ποζιτρονίου. Η τρέχουσα κατανόηση του ηλεκτρονίου περικλείεται στη σύγχρονη κβαντική ηλεκτροδυναμική, ένα πεδίο που πρωτοστάτησε ο φυσικός Richard Feynman.
