El electrón es la unidad fundamental de carga negativa del universo.Se cree que es verdaderamente fundamental, porque no puede dividirse en partículas más pequeñas, y no tiene una estructura detectable. Su símbolo suele ser e- o β-.
Carga del electrón
Todos los electrones llevan la carga elemental, que es -1,602 x 10-19 C.
Campos eléctricos y magnéticos
Como todas las cargas, la carga del electrón genera su propio campo eléctrico.
Como el electrón está siempre en movimiento, como cualquier carga en movimiento, genera su propio campo magnético.
Los átomos de cada elemento químico tienen el mismo número de electrones con carga negativa y de protones con carga positiva, por lo que son eléctricamente neutros.
Masa
Los electrones tienen una masa diminuta: 9.109 x 10-31 kg (con cuatro cifras significativas).
Incluso en comparación con los protones, la masa de los electrones es pequeña: la relación de masa protón:electrón es de 1836 (con cuatro cifras significativas).
Diámetro
Se cree que el electrón no tiene diámetro ni volumen. Se piensa que es una partícula puntual.
Localización y espacio ocupado
En los átomos, los electrones ocupan un volumen de espacio centrado en el núcleo. Los electrones se mueven dentro de un volumen mucho mayor que el que ocupa el núcleo.
- Por ejemplo, el núcleo de un átomo de hidrógeno (un solo protón) tiene un diámetro de 1,75 x 10-15 m.
- El diámetro de Bohr del átomo de hidrógeno, principalmente el espacio orbital de los electrones, es de 1.06 x 10-10 m.
- Los átomos pueden ionizarse para formar compuestos
- Los átomos pueden formar compuestos compartiendo electrones en enlaces covalentes
- n: el número cuántico principal
- l: el número cuántico del momento angular orbital
- ml: el número cuántico magnético
- ms: el número cuántico de espín
La diferencia entre estos diámetros es un factor de unos 60.000.
Electrones y compuestos
Los niveles de energía de los electrones y sus interacciones determinan el comportamiento químico y el enlace de las sustancias.Ejemplos comunes de esto son:
Partículas beta
Durante la desintegración beta radiactiva, un neutrón decae en un protón.Esto va acompañado de la expulsión del núcleo de un electrón antineutrino y de un electrón de muy alta energía conocido como partícula beta, de símbolo β-.
Electricidad y Magnetismo
La electricidad estática es el resultado del movimiento de electrones de un cuerpo sobre otro: esta separación de la carga eléctrica hace que un cuerpo esté cargado positivamente y el otro negativamente.
La corriente eléctrica es el flujo de carga eléctrica -generalmente electrones- aunque pueden ser iones. La conductividad eléctrica se basa en la facilidad de movimiento de los electrones.
El magnetismo es el resultado del movimiento de los electrones.
Calor
Los electrones juegan un papel importante en la conducción térmica.
La necesidad de la física cuántica
En los átomos, los electrones están unidos al núcleo por atracción electrostática.En la física clásica, los electrones deberían perder energía y entrar en espiral en el núcleo positivo. Si este fuera el caso, los átomos tendrían una vida muy limitada.La física clásica, por lo tanto, no puede explicar la existencia de los átomos.
En la física cuántica, los electrones sólo pueden ocupar ciertos niveles de energía definidos y, en condiciones normales, no se combinarán con los protones del núcleo.(Los electrones sí se combinan con los protones en las condiciones extremas asociadas a las estrellas de neutrones.)
Dualidad onda-partícula
La física cuántica estableció el principio de la dualidad onda-partícula u onda materia:las partículas pueden comportarse como ondas con velocidades, longitudes de onda, amplitudes y frecuencias; y pueden reflejarse, refractarse y difractarse.
La ecuación de de Broglie y las ondas de los electrones
La longitud de onda de las ondas de la materia se puede calcular a partir de la ecuación de de Broglie:
donde: λ = longitud de onda; h = constante de Planck; y p = momento.
Los electrones tienen longitudes de onda y pueden comportarse como ondas.
La ecuación de Schrödinger
La ecuación de Schrödinger permite calcular la función de onda mecánica cuántica de un electrón, Ψ.
Con Ψ y Ψ2 obtenemos tres de los cuatro números cuánticos que caracterizan a los electrones de un átomo o molécula y las formas y orientaciones de los orbitales de los electrones.
La ecuación de Dirac y el espín del electrón
La ecuación de Dirac, una ecuación de onda para los electrones que viajan a velocidades cercanas a la de la luz, produce de forma natural la propiedad mecánica cuántica del espín del electrón.
Un electrón puede tener espín de + ½ o – ½. Las partículas subatómicas que pueden tener espín de + ½ o – ½ se denominan fermiones.A diferencia de los bosones, no hay dos fermiones que puedan ocupar el mismo estado cuántico, por lo que están sujetos al principio de exclusión de Pauli.
Los electrones son fermiones y obedecen al principio de exclusión de Pauli.
Números cuánticos
Cada electrón de un átomo se caracteriza por cuatro números cuánticos: n, l, ml y ms.
El principio de exclusión de Pauli dice que no hay dos electrones en un átomo que puedan tener los mismos cuatro números cuánticos: cada electrón debe existir en un estado único.Los electrones de diferentes átomos cumplen esta exigencia, ya que los átomos se encuentran en diferentes ubicaciones en el espacio.
Momento angular
Además de la masa y la carga, los electrones poseen momento angular.Este se presenta de dos formas: momento angular orbital asociado al electrón que orbita alrededor del núcleo; y momento angular de espín, mencionado anteriormente.
Difracción de electrones
Los métodos de difracción de electrones para determinar las estructuras atómicas y moleculares de los sólidos se basan en el comportamiento ondulatorio de los electrones.
Electromagnetismo
Los fotones de la luz visible se producen o se absorben cuando los electrones saltan entre los niveles de energía permitidos dentro de los átomos.
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