Elektron jest podstawową jednostką ładunku ujemnego we wszechświecie.Uważa się, że jest on naprawdę podstawowy, ponieważ nie można go rozdzielić na mniejsze cząstki i nie ma on wykrywalnej struktury. Jego symbolem jest zwykle e- lub β-.
Przeładowanie elektronu
Wszystkie elektrony niosą ładunek elementarny, który wynosi -1,602 x 10-19 C.
Pole elektryczne i magnetyczne
Jak wszystkie ładunki, ładunek elektronu wytwarza swoje własne pole elektryczne.
Ponieważ elektron jest zawsze w ruchu, jak każdy poruszający się ładunek, wytwarza swoje własne pole magnetyczne.
Atomy każdego pierwiastka chemicznego mają równą liczbę ujemnie naładowanych elektronów i dodatnio naładowanych protonów – są więc elektrycznie obojętne.
Masa
Elektrony mają maleńką masę: 9.109 x 10-31 kg (do czterech cyfr znaczących).
Nawet w porównaniu z protonami, masa elektronu jest mała: stosunek masy protonu do masy elektronu wynosi 1836 (do czterech cyfr znaczących).
Średnica
Uważa się, że elektron nie ma średnicy ani objętości. Uważa się, że jest on cząstką punktową.
Lokalizacja i zajmowana przestrzeń
W atomach elektrony zajmują objętość przestrzeni skupioną na jądrze. Elektrony poruszają się w znacznie większej objętości niż zajmuje jądro.
- Na przykład, jądro atomu wodoru (pojedynczy proton) ma średnicę 1.75 x 10-15 m.
- Średnica Bohra atomu wodoru, głównie przestrzeń orbitali elektronowych, wynosi 1.06 x 10-10 m.
Różnica pomiędzy tymi średnicami jest czynnikiem około 60,000.
Elektrony i związki
Poziomy energetyczne elektronów i ich oddziaływania określają zachowanie chemiczne i wiązanie substancji.Typowe przykłady to:
- atomy mogą jonizować się tworząc związki
- atomy mogą tworzyć związki poprzez dzielenie się elektronami w wiązaniach kowalencyjnych
Cząstki beta
Podczas radioaktywnego rozpadu beta, neutron rozpada się na proton.Towarzyszy temu wyrzucenie z jądra antyneutrina elektronowego i elektronu o bardzo wysokiej energii, znanego jako cząstka beta, symbol β-.
Elektryczność i magnetyzm
Prąd elektryczny statyczny wynika z ruchu elektronów z jednego ciała na drugie: to rozdzielenie ładunku elektrycznego oznacza, że jedno ciało jest naładowane dodatnio, a drugie ujemnie.
Prąd elektryczny to przepływ ładunku elektrycznego – zwykle elektronów – choć mogą to być jony. Przewodnictwo elektryczne opiera się na łatwości przemieszczania się elektronów.
Magnetyzm wynika z ruchu elektronów.
Ciepło
Elektrony odgrywają główną rolę w przewodnictwie cieplnym.
Potrzeba fizyki kwantowej
W atomach elektrony są związane z jądrem przez przyciąganie elektrostatyczne.
W fizyce klasycznej elektrony powinny tracić energię i spiralnie wpadać do dodatniego jądra. Gdyby tak było, atomy miałyby bardzo ograniczony czas życia.Fizyka klasyczna nie może więc wyjaśnić istnienia atomów.
W fizyce kwantowej elektrony mogą zajmować tylko pewne określone poziomy energetyczne i w normalnych warunkach nie będą się łączyć z protonami w jądrze.(Elektrony rzeczywiście łączą się z protonami w ekstremalnych warunkach związanych z gwiazdami neutronowymi.)
Dwoistość falowo-cząsteczkowa
Fizyka kwantowa ustanowiła zasadę dwoistości fali-cząsteczki lub fali materii: cząstki mogą zachowywać się jak fale z prędkościami, długościami fal, amplitudami i częstotliwościami; mogą być odbijane, załamywane i rozpraszane.
Równanie de Broglie’a i fale elektronowe
Długość fali materii można obliczyć z równania de Broglie’a:
gdzie: λ = długość fali; h = stała Plancka; i p = pęd.
Elektrony mają długość fali i mogą zachowywać się jak fale.
Równanie Schrödingera
Równanie Schrödingera pozwala obliczyć kwantowo-mechaniczną funkcję falową elektronu, Ψ.
Z Ψ i Ψ2 otrzymujemy trzy z czterech liczb kwantowych, które charakteryzują elektrony w atomie lub cząsteczce oraz kształty i orientacje orbitali elektronowych.
Równanie Diraca i spin elektronu
Równanie Diraca, równanie falowe dla elektronów poruszających się z prędkościami bliskimi prędkości światła, w naturalny sposób tworzy kwantową własność spinu elektronu.
Elektron może mieć spin + ½ lub – ½. W przeciwieństwie do bozonów, żadne dwa fermiony nie mogą zajmować tego samego stanu kwantowego, więc podlegają one zasadzie wykluczenia Pauliego.
Elektrony są fermionami i przestrzegają zasady wykluczenia Pauliego.
Liczby kwantowe
Każdy elektron w atomie jest scharakteryzowany przez cztery liczby kwantowe: n, l, ml i ms.
- n: główna liczba kwantowa
- l: orbitalna liczba kwantowa momentu pędu
- ml: magnetyczna liczba kwantowa
- ms: spinowa liczba kwantowa
Zasada wykluczania Pauliego mówi, że żadne dwa elektrony w atomie nie mogą mieć tych samych czterech liczb kwantowych: każdy elektron musi istnieć w unikalnym stanie.Elektrony w różnych atomach spełniają to wymaganie, ponieważ atomy znajdują się w różnych miejscach w przestrzeni.
Moment Kątowy
W uzupełnieniu do masy i ładunku, elektrony posiadają moment pędu.Występuje on w dwóch formach: orbitalny moment pędu związany z elektronem krążącym wokół jądra; oraz spinowy moment pędu, wspomniany powyżej.
DYFRAKCJA ELEKTRONÓW
Metody dyfrakcji elektronów służące do określania atomowych i molekularnych struktur ciał stałych opierają się na falowym zachowaniu elektronów.
Elektromagnetyzm
Fotony światła widzialnego są wytwarzane lub absorbowane, gdy elektrony przeskakują pomiędzy dozwolonymi poziomami energetycznymi w obrębie atomów.