Viss ap mums uz planētas sastāv no mazām, netveramām daļiņām. Elektroni ir viens no tiem. Viņu atklājums notika salīdzinoši nesen. Un tas pavēra jaunas idejas par atoma uzbūvi, elektrības pārvades mehānismiem un pasaules uzbūvi kopumā.
Kā dalījās nedalāmais
Mūsdienu izpratnē elektroni ir elementārdaļiņas. Tie ir neatņemami un nesadalās mazākās struktūrās. Bet šāda ideja ne vienmēr pastāvēja. Elektroni nebija zināmi līdz 1897. gadam.
Pat Senās Grieķijas domātāji uzminēja, ka ikviena lieta pasaulē, tāpat kā ēka, sastāv no daudziem mikroskopiskiem "ķieģeļiem". Tad atoms tika uzskatīts par mazāko matērijas vienību, un šī pārliecība saglabājās gadsimtiem ilgi.
Atoma jēdziens mainījās tikai 19. gadsimta beigās. Pēc J. Tomsona, E. Raterforda, H. Lorenca, P. Zēmana pētījumiem atomu kodoli un elektroni tika atzīti par mazākajām nedalāmajām daļiņām. Laika gaitā tika atklāti protoni, neitroni un vēl vēlāk - neitrīni, kaoni, pi-mezoni utt.
Tagad zinātne zina milzīgu skaitu elementārdaļiņu, starp kurām vienmēr savu vietu ieņem elektroni.
Jaunas daļiņas atklāšana
Brīdī, kad atomā tika atklāti elektroni, zinātnieki jau sen zināja par elektrības un magnētisma esamību. Taču šo parādību patiesā būtība un visas īpašības joprojām ir noslēpums, kas nodarbina daudzu fiziķu prātus.
Jau 19. gadsimta sākumā bija zināms, ka elektromagnētiskā starojuma izplatīšanās notiek ar gaismas ātrumu. Tomēr anglis Džozefs Tomsons, veicot eksperimentus ar katodstariem, secināja, ka tie sastāv no daudziem maziem graudiņiem, kuru masa ir mazāka par atomu.
1897. gada aprīlī Tomsons uzstājās ar prezentāciju, kurā viņš iepazīstināja zinātniekus par jaunas daļiņas dzimšanu atomā, ko viņš nosauca par korpuskuli. Vēlāk Ernests Raterfords ar eksperimentu palīdzību ar foliju apstiprināja sava skolotāja secinājumus, un asinsķermenīšiem tika dots cits nosaukums – "elektroni".
Šis atklājums veicināja ne tikai fizikālās, bet arī ķīmiskās zinātnes attīstību. Tas ļāva panākt ievērojamu progresu elektrības un magnētisma, vielu īpašību izpētē, kā arī radīja kodolfiziku.
Kas ir elektrons?
Elektroni ir vieglākās daļiņas, kurām ir elektriskais lādiņš. Mūsu zināšanas par tiem joprojām lielā mērā ir pretrunīgas un nepilnīgas. Piemēram, mūsdienu koncepcijās tie dzīvo mūžīgi, jo atšķirībā no neitroniem un protoniem nekad nesadalās (pēdējo teorētiskais sabrukšanas vecums pārsniedz Visuma vecumu).
Elektroni ir stabili un tiem ir pastāvīgs negatīvs lādiņš e=1,6 x 10-19Cl. Tie pieder pie fermionu ģimenes un leptonu grupas. Daļiņas piedalās vājā elektromagnētiskajā un gravitācijas mijiedarbībā. Tie ir atrodami atomos. Daļiņas, kas zaudējušas kontaktu ar atomiem, ir brīvie elektroni.
Elektronu masa ir 9,1 x 10-31 kg un ir 1836 reizes mazāka par protona masu. Viņiem ir pusvesela skaitļa griešanās un magnētiskais moments. Elektronu apzīmē ar burtu "e-". Tādā pašā veidā, bet ar plusa zīmi, ir norādīts tā antagonists - pozitrona antidaļiņa.
Elektronu stāvoklis atomā
Kad kļuva skaidrs, ka atoms sastāv no mazākām struktūrām, bija jāsaprot, kā tieši tās tajā izkārtojušās. Tāpēc 19. gadsimta beigās parādījās pirmie atoma modeļi. Saskaņā ar planētu modeļiem protoni (pozitīvi lādēti) un neitroni (neitrāli) veidoja atoma kodolu. Un ap to elektroni pārvietojās pa eliptiskām orbītām.
Šīs idejas mainās līdz ar kvantu fizikas parādīšanos 20. gadsimta sākumā. Louis de Broglie izvirza teoriju, ka elektrons izpaužas ne tikai kā daļiņa, bet arī kā vilnis. Ervins Šrēdingers izveido atoma viļņu modeli, kurā elektroni tiek attēloti kā noteikta blīvuma mākonis ar lādiņu.
Ir gandrīz neiespējami precīzi noteikt elektronu atrašanās vietu un trajektoriju ap kodolu. Šajā sakarā tiek ieviests īpašs jēdziens "orbitāls" vai "elektronu mākonis", kas ir visticamākās atrašanās vietas telpa.nosauktas daļiņas.
Enerģijas līmeņi
Mākonī ap atomu ir tieši tik daudz elektronu, cik protonu ir tā kodolā. Visi no tiem atrodas dažādos attālumos. Vistuvāk kodolam atrodas elektroni ar vismazāko enerģijas daudzumu. Jo vairāk daļiņām ir enerģijas, jo tālāk tās var aiziet.
Bet tie nav sakārtoti nejauši, bet aizņem noteiktus līmeņus, kas var uzņemt tikai noteiktu skaitu daļiņu. Katram līmenim ir savs enerģijas daudzums, un tas ir sadalīts apakšlīmeņos, savukārt tie ir orbitāles.
Lai aprakstītu elektronu raksturlielumus un izkārtojumu enerģijas līmeņos, tiek izmantoti četri kvantu skaitļi:
- n - galvenais skaitlis, kas nosaka elektrona enerģiju (atbilst ķīmiskā elementa perioda skaitlim);
- l - orbitālais skaitlis, kas raksturo elektronu mākoņa formu (s - sfēriska, p - astoņu forma, d - āboliņa vai dubultastotnieka forma, f - sarežģīta ģeometriska forma);
- m ir magnētisks skaitlis, kas nosaka mākoņa orientāciju magnētiskajā laukā;
- ms ir griešanās skaitlis, kas raksturo elektronu rotāciju ap savu asi.
Secinājums
Tātad, elektroni ir stabilas negatīvi lādētas daļiņas. Tie ir elementāri un nevar sadalīties citos elementos. Tās tiek klasificētas kā pamatdaļiņas, tas ir, tās, kas ir matērijas struktūras daļa.
Elektroni pārvietojas ap atomu kodoliem un veido to elektronu apvalku. Tie ietekmē ķīmisko, optisko,dažādu vielu mehāniskās un magnētiskās īpašības. Šīs daļiņas piedalās elektromagnētiskajā un gravitācijas mijiedarbībā. To virziena kustība rada elektrisko strāvu un magnētisko lauku.
