Ηλεκτρόνιο

Περιγραφή

Τα ηλεκτρόνια έχουν το μικρότερο ηλεκτρικό φορτίο. Αυτό το ηλεκτρικό φορτίο ισούται με το φορτίο ενός πρωτονίου, αλλά έχει αντίθετο πρόσημο. Για το λόγο αυτό, τα ηλεκτρόνια έλκονται από τα πρωτόνια των ατομικών πυρήνων και συνήθως σχηματίζουν άτομα. Ένα ηλεκτρόνιο έχει μάζα περίπου 1/1836 φορές ενός πρωτονίου.

Ένας τρόπος για να σκεφτούμε τη θέση των ηλεκτρονίων σε ένα άτομο είναι να φανταστούμε ότι περιφέρονται σε σταθερές αποστάσεις από τον πυρήνα. Με αυτόν τον τρόπο, τα ηλεκτρόνια σε ένα άτομο υπάρχουν σε έναν αριθμό ηλεκτρονικών κελυφών που περιβάλλουν τον κεντρικό πυρήνα. Σε κάθε ηλεκτρονιακό κέλυφος δίνεται ένας αριθμός 1, 2, 3 κ.ο.κ., ξεκινώντας από το πιο κοντινό στον πυρήνα (το πιο εσωτερικό κέλυφος). Κάθε κέλυφος μπορεί να χωρέσει μέχρι ένα συγκεκριμένο μέγιστο αριθμό ηλεκτρονίων. Η κατανομή των ηλεκτρονίων στα διάφορα κελύφη ονομάζεται ηλεκτρονική διάταξη (ή ηλεκτρονική μορφή ή σχήμα). Η ηλεκτρονική διάταξη μπορεί να παρουσιαστεί με αρίθμηση ή με ηλεκτρονικό διάγραμμα. (Ένας διαφορετικός τρόπος να σκεφτούμε τη θέση των ηλεκτρονίων είναι να χρησιμοποιήσουμε την κβαντομηχανική για να υπολογίσουμε τα ατομικά τροχιακά τους).

Το ηλεκτρόνιο είναι ένα από τα υποατομικά σωματίδια που ονομάζονται λεπτόνια. Το ηλεκτρόνιο έχει αρνητικό ηλεκτρικό φορτίο. Το ηλεκτρόνιο έχει μια άλλη ιδιότητα, που ονομάζεται σπιν. Η τιμή του σπιν είναι 1/2, γεγονός που το καθιστά φερμιόνιο.

Ενώ τα περισσότερα ηλεκτρόνια βρίσκονται στα άτομα, άλλα κινούνται ανεξάρτητα στην ύλη ή μαζί ως καθοδικές ακτίνες στο κενό. Σε ορισμένους υπεραγωγούς, τα ηλεκτρόνια κινούνται σε ζεύγη. Όταν τα ηλεκτρόνια ρέουν, η ροή αυτή ονομάζεται ηλεκτρισμός ή ηλεκτρικό ρεύμα.

Ένα αντικείμενο μπορεί να περιγραφεί ως "αρνητικά φορτισμένο" εάν υπάρχουν περισσότερα ηλεκτρόνια από πρωτόνια σε ένα αντικείμενο, ή "θετικά φορτισμένο" όταν υπάρχουν περισσότερα πρωτόνια από ηλεκτρόνια. Τα ηλεκτρόνια μπορούν να μετακινηθούν από ένα αντικείμενο σε ένα άλλο όταν αγγίζονται. Μπορεί να έλκονται από ένα άλλο αντικείμενο με αντίθετο φορτίο ή να απωθούνται όταν και τα δύο έχουν το ίδιο φορτίο. Όταν ένα αντικείμενο "γειωθεί", τα ηλεκτρόνια από το φορτισμένο αντικείμενο μεταφέρονται στο έδαφος, καθιστώντας το αντικείμενο ουδέτερο. Αυτό κάνουν τα αλεξικέραυνα (αλεξικέραυνα).

Χημικές αντιδράσεις

Τα ηλεκτρόνια στα κελύφη τους γύρω από ένα άτομο αποτελούν τη βάση των χημικών αντιδράσεων. Τα πλήρη εξωτερικά κελύφη, με τα μέγιστα ηλεκτρόνια, είναι λιγότερο αντιδραστικά. Τα εξωτερικά κελύφη με λιγότερα από τα μέγιστα ηλεκτρόνια είναι αντιδραστικά. Ο αριθμός των ηλεκτρονίων στα άτομα είναι η βάση του χημικού περιοδικού πίνακα.

Μέτρηση

Το ηλεκτρικό φορτίο μπορεί να μετρηθεί άμεσα με μια συσκευή που ονομάζεται ηλεκτρόμετρο. Το ηλεκτρικό ρεύμα μπορεί να μετρηθεί άμεσα με ένα γαλβανόμετρο. Η μέτρηση που εκπέμπει ένα γαλβανόμετρο είναι διαφορετική από τη μέτρηση που εκπέμπει ένα ηλεκτρόμετρο. Σήμερα τα εργαστηριακά όργανα είναι ικανά να περιέχουν και να παρατηρούν μεμονωμένα ηλεκτρόνια.

'Βλέποντας' ένα ηλεκτρόνιο

Σε εργαστηριακές συνθήκες, οι αλληλεπιδράσεις των μεμονωμένων ηλεκτρονίων μπορούν να παρατηρηθούν μέσω ανιχνευτών σωματιδίων, οι οποίοι επιτρέπουν τη μέτρηση συγκεκριμένων ιδιοτήτων όπως η ενέργεια, το σπιν και το φορτίο. Σε μια περίπτωση, μια παγίδα Penning χρησιμοποιήθηκε για να συγκρατήσει ένα μεμονωμένο ηλεκτρόνιο για 10 μήνες. Η μαγνητική ροπή του ηλεκτρονίου μετρήθηκε με ακρίβεια έντεκα ψηφίων, η οποία, το 1980, ήταν μεγαλύτερη ακρίβεια από ό,τι για οποιαδήποτε άλλη φυσική σταθερά.

Οι πρώτες εικόνες βίντεο της κατανομής της ενέργειας ενός ηλεκτρονίου καταγράφηκαν από μια ομάδα του Πανεπιστημίου Lund στη Σουηδία, τον Φεβρουάριο του 2008. Οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν εξαιρετικά σύντομες λάμψεις φωτός, που ονομάζονται παλμοί του αττοδευτερολέπτου, οι οποίες επέτρεψαν να παρατηρηθεί για πρώτη φορά η κίνηση ενός ηλεκτρονίου. Η κατανομή των ηλεκτρονίων σε στερεά υλικά μπορεί επίσης να απεικονιστεί.

Αντι-σωματίδιο

Το αντισωματίδιο του ηλεκτρονίου ονομάζεται ποζιτρόνιο. Είναι πανομοιότυπο με το ηλεκτρόνιο, αλλά φέρει ηλεκτρικά και άλλα φορτία με αντίθετο πρόσημο. Όταν ένα ηλεκτρόνιο συγκρούεται με ένα ποζιτρόνιο, μπορεί να σκεδαστούν μεταξύ τους ή να εξαϋλωθούν πλήρως, παράγοντας ένα ζεύγος (ή περισσότερα) φωτονίων ακτίνων γάμμα.

Το μοντέλο του ατόμου του Niels Bohr. Τρεις ηλεκτρονιακοί φλοιοί γύρω από έναν πυρήνα, με ένα ηλεκτρόνιο να μετακινείται από το δεύτερο στο πρώτο επίπεδο και να απελευθερώνει ένα φωτόνιο.

Ιστορία της ανακάλυψής του

Οι επιδράσεις των ηλεκτρονίων ήταν γνωστές πολύ πριν εξηγηθούν. Οι αρχαίοι Έλληνες γνώριζαν ότι η τριβή κεχριμπαριού με γούνα έλκει μικρά αντικείμενα. Τώρα γνωρίζουμε ότι η τριβή απογυμνώνει ηλεκτρόνια και αυτό δίνει ηλεκτρικό φορτίο στο κεχριμπάρι. Πολλοί φυσικοί ασχολήθηκαν με το ηλεκτρόνιο. Ο J.J. Thomson απέδειξε την ύπαρξή του, το 1897, αλλά ένας άλλος άνθρωπος του έδωσε το όνομα "ηλεκτρόνιο".

Το μοντέλο του ηλεκτρονιακού νέφους

Το μοντέλο θεωρεί ότι τα ηλεκτρόνια κατέχουν απροσδιόριστες θέσεις σε ένα διάχυτο νέφος γύρω από τον πυρήνα του ατόμου.

Η αρχή της αβεβαιότητας σημαίνει ότι κάποιος δεν μπορεί να γνωρίζει ταυτόχρονα τη θέση και το ενεργειακό επίπεδο ενός ηλεκτρονίου. Αυτές οι δυναμικές καταστάσεις σχηματίζουν ένα νέφος γύρω από το άτομο. Οι δυναμικές καταστάσεις των ηλεκτρονίων σε ένα άτομο σχηματίζουν ένα ενιαίο, ομοιόμορφο νέφος.

Σχετικές σελίδες

• Ποζιτρόνιο
• Proton
• Νετρόνιο