כל מה שמסביבנו על הפלנטה מורכב מחלקיקים קטנים וחמקמקים. אלקטרונים הם אחד מהם. הגילוי שלהם אירע לאחרונה יחסית. וזה פתח רעיונות חדשים לגבי מבנה האטום, מנגנוני העברת חשמל ומבנה העולם בכללותו.
איך חולק הבלתי ניתן לחלוקה
במובן המודרני, אלקטרונים הם חלקיקים יסודיים. הם אינטגרליים ואינם מתפרקים למבנים קטנים יותר. אבל רעיון כזה לא תמיד היה קיים. אלקטרונים לא היו ידועים עד 1897.
אפילו ההוגים של יוון העתיקה ניחשו שכל דבר בעולם, כמו בניין, מורכב מ"לבנים" מיקרוסקופיות רבות. האטום נחשב אז ליחידת החומר הקטנה ביותר, ואמונה זו נמשכה במשך מאות שנים.
רעיון האטום השתנה רק בסוף המאה ה-19. לאחר מחקריהם של J. Thomson, E. Rutherford, H. Lorentz, P. Zeeman, גרעינים אטומיים ואלקטרונים זוהו כחלקיקים הבלתי ניתנים לחלוקה הקטנים ביותר. עם הזמן התגלו פרוטונים, נויטרונים, ואפילו מאוחר יותר - נייטרינו, קאונים, פי-מזונים וכו'.
עכשיו המדע יודע מספר עצום של חלקיקים יסודיים, שביניהם אלקטרונים תופסים תמיד את מקומם.
גילוי של חלקיק חדש
עד שהתגלו אלקטרונים באטום, מדענים ידעו זמן רב על קיומם של חשמל ומגנטיות. אבל הטבע האמיתי והמאפיינים המלאים של תופעות אלה עדיין נותרו בגדר תעלומה, המעסיקה את מוחותיהם של פיזיקאים רבים.
כבר בתחילת המאה ה-19, היה ידוע שהתפשטות קרינה אלקטרומגנטית מתרחשת במהירות האור. עם זאת, ג'וזף תומסון האנגלי, שערך ניסויים בקרני קתודה, הגיע למסקנה שהן מורכבות מהרבה גרגרים קטנים, שהמסה שלהם קטנה מאטומית.
באפריל 1897, תומסון הציג מצגת, שבה הציג בפני הקהילה המדעית את לידתו של חלקיק חדש באטום, שאותו כינה גוף. מאוחר יותר, ארנסט רתרפורד, בעזרת ניסויים בנייר כסף, אישר את מסקנות המורה שלו, והגופיים קיבלו שם אחר - "אלקטרונים".
תגלית זו דחפה את התפתחות המדע הפיזיקלי, אלא גם הכימי. זה אפשר התקדמות משמעותית בחקר החשמל והמגנטיות, תכונות החומרים, וגם הוליד את הפיזיקה הגרעינית.
מהו אלקטרון?
אלקטרונים הם החלקיקים הקלים ביותר שיש להם מטען חשמלי. הידע שלנו עליהם עדיין סותר במידה רבה ולא שלם. לדוגמה, במושגים מודרניים, הם חיים לנצח, מכיוון שהם לעולם אינם מתכלים, בניגוד לנייטרונים ופרוטונים (גיל ההתפרקות התיאורטי של האחרונים עולה על גיל היקום).
אלקטרונים יציבים ויש להם מטען שלילי קבוע e=1.6 x 10-19Cl. הם שייכים למשפחת הפרמיונים ולקבוצת הלפטונים. חלקיקים משתתפים באינטראקציה אלקטרומגנטית וכבידה חלשה. הם נמצאים באטומים. חלקיקים שאיבדו מגע עם אטומים הם אלקטרונים חופשיים.
מסת האלקטרונים היא 9.1 x 10-31 ק"ג והיא קטנה פי 1836 מהמסה של פרוטון. יש להם ספין של חצי שלם ומומנט מגנטי. אלקטרון מסומן באות "e-". באותו אופן, אך עם סימן פלוס, מצוין האנטגוניסט שלו - אנטי-חלקיק הפוזיטרון.
מצב האלקטרונים באטום
כשהתברר שהאטום מורכב ממבנים קטנים יותר, היה צורך להבין בדיוק איך הם מסודרים בו. לכן, בסוף המאה ה-19, הופיעו הדגמים הראשונים של האטום. על פי המודלים הפלנטריים, פרוטונים (טעונים חיוביים) וניוטרונים (ניטרליים) הרכיבו את גרעין האטום. ומסביבו, אלקטרונים נעו במסלולים אליפטיים.
רעיונות אלה משתנים עם הופעתה של פיזיקת הקוונטים בתחילת המאה ה-20. לואי דה ברולי מציג את התיאוריה שהאלקטרון מתבטא לא רק כחלקיק, אלא גם כגל. ארווין שרדינגר יוצר מודל גל של אטום, שבו אלקטרונים מיוצגים כענן בצפיפות מסוימת עם מטען.
כמעט בלתי אפשרי לקבוע במדויק את המיקום והמסלול של אלקטרונים סביב הגרעין. בהקשר זה, מוצג מושג מיוחד של "מסלול" או "ענן אלקטרונים", שהוא המרחב של המיקום הסביר ביותרחלקיקים בעלי שם.
רמות אנרגיה
ישנם בדיוק כמו הרבה אלקטרונים בענן סביב אטום כמו שיש פרוטונים בגרעין שלו. כולם נמצאים במרחקים שונים. הקרובים ביותר לגרעין נמצאים האלקטרונים עם כמות האנרגיה הנמוכה ביותר. ככל שיש לחלקיקים יותר אנרגיה, כך הם יכולים להגיע רחוק יותר.
אבל הם לא מסודרים באופן אקראי, אלא תופסים רמות ספציפיות שיכולות להכיל רק מספר מסוים של חלקיקים. לכל רמה יש כמות אנרגיה משלה והיא מחולקת לתת-רמות, ואלה, בתורן, לארובטלים.
ארבעה מספרים קוונטיים משמשים לתיאור המאפיינים והסידור של אלקטרונים ברמות אנרגיה:
- n - המספר העיקרי שקובע את האנרגיה של האלקטרון (מתאים למספר התקופה של היסוד הכימי);
- l - מספר מסלול המתאר את צורת ענן האלקטרונים (s - כדורי, p - צורת שמונה, d - צורת תלתן או שמונה כפולה, f - צורה גיאומטרית מורכבת);
- m הוא מספר מגנטי שקובע את כיוון הענן בשדה מגנטי;
- ms הוא מספר ספין המאפיין את סיבוב האלקטרונים סביב צירו.
מסקנה
אז, אלקטרונים הם חלקיקים בעלי מטען שלילי יציבים. הם יסודיים ואינם יכולים להתפרק ליסודות אחרים. הם מסווגים כחלקיקים יסודיים, כלומר כאלו שהם חלק ממבנה החומר.
אלקטרונים נעים סביב גרעיני אטום ומרכיבים את מעטפת האלקטרונים שלהם. הם משפיעים על הכימיקלים, האופטיים,תכונות מכניות ומגנטיות של חומרים שונים. חלקיקים אלה משתתפים באינטראקציה אלקטרומגנטית וכבידה. התנועה הכיוונית שלהם יוצרת זרם חשמלי ושדה מגנטי.
