L’elettrone è l’unità fondamentale di carica negativa dell’universo; si ritiene che sia veramente fondamentale, perché non può essere scisso in particelle più piccole e non ha una struttura rilevabile. Il suo simbolo è solitamente e- o β-.
Carica dell’elettrone
Tutti gli elettroni portano la carica elementare, che è -1,602 x 10-19 C.
Campi elettrici e magnetici
Come tutte le cariche, la carica dell’elettrone genera il proprio campo elettrico.
Siccome l’elettrone è sempre in movimento, come ogni carica in movimento, genera il proprio campo magnetico.
Gli atomi di ogni elemento chimico hanno un numero uguale di elettroni caricati negativamente e di protoni caricati positivamente – sono quindi elettricamente neutri.
Massa
Gli elettroni hanno una massa minuscola: 9. 109 x 10-31 kg (per quattro volte il peso dell’elettrone).109 x 10-31 kg (con quattro cifre significative).
Anche rispetto ai protoni, la massa dell’elettrone è piccola: il rapporto massa protone:elettrone è 1836 (con quattro cifre significative).
Diametro
Si ritiene che l’elettrone non abbia diametro e volume. Si pensa che sia una particella puntiforme.
Posizione e spazio occupato
Negli atomi, gli elettroni occupano un volume di spazio centrato sul nucleo. Gli elettroni si muovono in un volume molto più grande di quello occupato dal nucleo.
- Per esempio, il nucleo di un atomo di idrogeno (un singolo protone) ha un diametro di 1,75 x 10-15 m.
- Il diametro di Bohr dell’atomo di idrogeno, principalmente lo spazio orbitale degli elettroni, è 1.06 x 10-10 m.
La differenza tra questi diametri è un fattore di circa 60.000.
Elettroni e composti
I livelli di energia degli elettroni e le loro interazioni determinano il comportamento chimico e il legame delle sostanze.Esempi comuni sono:
- gli atomi possono ionizzarsi per formare composti
- gli atomi possono formare composti condividendo elettroni in legami covalenti
Particelle beta
Nel decadimento beta radioattivo, un neutrone decade in un protone.Questo è accompagnato dall’espulsione dal nucleo di un elettrone antineutrino e di un elettrone di altissima energia conosciuto come particella beta, simbolo β-.
Elettricità e magnetismo
L’elettricità statica risulta dal movimento di elettroni da un corpo ad un altro: questa separazione di carica elettrica significa che un corpo è caricato positivamente e l’altro negativamente.
La corrente elettrica è il flusso di carica elettrica – solitamente elettroni – anche se potrebbe essere ioni. La conduttività elettrica si basa sulla facilità di movimento degli elettroni.
Il magnetismo deriva dal movimento degli elettroni.
Calore
Gli elettroni giocano un ruolo importante nella conduzione termica.
La necessità della fisica quantistica
Negli atomi, gli elettroni sono legati al nucleo per attrazione elettrostatica.Nella fisica classica, gli elettroni dovrebbero perdere energia e spiralare nel nucleo positivo. Se questo fosse il caso, gli atomi avrebbero una vita molto limitata.La fisica classica, quindi, non può spiegare l’esistenza degli atomi.
Nella fisica quantistica, gli elettroni possono occupare solo certi livelli di energia definiti e, in condizioni normali, non si combinano con i protoni nel nucleo (gli elettroni si combinano effettivamente con i protoni nelle condizioni estreme associate alle stelle di neutroni.)
Dualità onda-particella
La fisica quantistica stabilì il principio della dualità onda-particella o onda materia: le particelle possono comportarsi come onde con velocità, lunghezza d’onda, ampiezza e frequenza; e possono essere riflesse, rifratte e diffratte.
L’equazione di de Broglie e le onde degli elettroni
La lunghezza d’onda delle onde di materia può essere calcolata dall’equazione di de Broglie:
dove: λ = lunghezza d’onda; h = costante di Planck; e p = momento.
Gli elettroni hanno lunghezze d’onda e possono comportarsi come onde.
L’equazione di Schrödinger
L’equazione di Schrödinger permette di calcolare la funzione d’onda meccanica quantistica di un elettrone, Ψ.
Con Ψ e Ψ2 otteniamo tre dei quattro numeri quantici che caratterizzano gli elettroni in un atomo o in una molecola e le forme e gli orientamenti degli orbitali degli elettroni.
L’equazione di Dirac e lo spin dell’elettrone
L’equazione di Dirac, un’equazione d’onda per gli elettroni che viaggiano a velocità prossime a quella della luce, produce naturalmente la proprietà meccanica quantistica dello spin dell’elettrone.
Un elettrone può avere spin di + ½ o – ½. Le particelle subatomiche che possono avere spin di + ½ o – ½ sono chiamate fermioni. A differenza dei bosoni, due fermioni non possono occupare lo stesso stato quantico, quindi sono soggetti al principio di esclusione di Pauli.
Gli elettroni sono fermioni e obbediscono al principio di esclusione di Pauli.
Numeri quantici
Ogni elettrone in un atomo è caratterizzato da quattro numeri quantici: n, l, ml e ms.
- n: il numero quantico principale
- l: il numero quantico del momento angolare orbitale
- ml: il numero quantico magnetico
- ms: il numero quantico di spin
Il principio di esclusione di Pauli dice che due elettroni in un atomo non possono avere gli stessi quattro numeri quantici: ogni elettrone deve esistere in uno stato unico.Gli elettroni in atomi diversi soddisfano questa richiesta, perché gli atomi si trovano in posizioni diverse nello spazio.
Momento angolare
Oltre alla massa e alla carica, gli elettroni possiedono momento angolare, che si presenta in due forme: momento angolare orbitale associato all’elettrone che orbita attorno al nucleo e momento angolare di spin, menzionato sopra.
Diffrazione degli elettroni
I metodi di diffrazione degli elettroni per determinare le strutture atomiche e molecolari dei solidi si basano sul comportamento ondulatorio degli elettroni.
Elettromagnetismo
I fotoni della luce visibile sono prodotti o assorbiti quando gli elettroni saltano tra livelli energetici consentiti all’interno degli atomi.