الکترون چیست؟ – به زبان ساده

الکترون چیست؟

به طور کلی مهم‌ترین ویژگی‌های الکترون عبارت‌اند از:

• بار الکتریکی: منفی و برابر با $$1.6 \times 10 ^{-19} \ C$$.
• جرم: $$9.1 \times 10 ^{-31} \ kg$$ (چیزی حدود دو برابر جرم پروتون)
• نوع ذره: جزء ذرات بنیادی و از خانواده لپتون‌ها
• اسپین: $$\frac{1}{2}$$ (فرمیون)
• رفتار: دوگانگی موج - ذره
• پایداری: بسیار پایدار و بدون فروپاشی طبیعی

کشف الکترون

تامسون این آزمایش را با الکترودهای فلزی دیگری نیز انجام داد و متوجه شد که خواص پرتو کاتدی ثابت می‌مانند و در نتیجه، مستقل از جنس الکترود استفاده شده هستند. تامسون به کمک یافته‌های آزمایش خود،‌ نتایج زیر را ارائه کرد:

• پرتو کاتدی از ذراتی با بار منفی تشکیل شده است.
• این ذرات باید جزئی از یک اتم باشند چراکه جرم هر ذره، تنها $$\frac{1}{2000}$$ جرم اتم هیدروژن است.
• این ذرات زیر اتمی،‌ در تمامی اتم‌ها وجود دارند.

نتایج تامسون در ابتدا، مخالفانی هم داشت اما به مرور مورد پذیرش دانشمندان قرار گرفت. در نهایت،‌ به ذرات پرتو کاتدی آزمایش تامسون نامی اختصاص پیدا کرد که الکترون بود. کشف الکترون، بخشی از نظریه اتمی دالتون را نقض می‌کرد که می‌گفت اتم‌ها به ذرات کوچکتری تقسیم نمی‌شوند. به منظور توصیف حضور الکترون‌ها، مدل جدیدتر اتمی مورد نیاز بود.

مدل کیک کشمشی تامسون

تامسون می‌دانست که اتم‌ها، به لحاظ با الکتریکی خنثی هستند. در نتیجه، او اظهار داشت که باید منبعی با بار مثبت در اتم‌ها وجود داشته باشد تا بار منفی الکترون‌ها را خنثی کند. این امر موجب شد تا تامسون بیان کند که اتم‌ها را می‌توان به صورت ذراتی با بار منفی توصیف کرد که در میان بارهای مثبت در حرکت هستند. این مدل را به طور معمول با نام «مدل کیک کشمشی» (Plum Pudding Model) می‌شناسند.

فیلم آموزش الکترون و کاربردهای آن در فرادرس

کلیک کنید

با توجه به دانسته‌های امروزی ما در خصوص اتم، می‌دانیم که مدل کیک کشمشی تامسون، مدل صحیحی نیست. دانشمندان به بررسی ساختار اتم‌ها ادامه دادند و حتی صحت مدل اتمی تامسون را نیز مورد ارزیابی قرار دادند.

ارنست رادرفورد و آزمایش ورقه طلا

بر اساس مدل کیکی کشمشی تامسون، فرض بر این بود که بارهای مثبت،‌ در حجم اتم پراکنده شده‌اند و در نتیجه، بیشتر ذرات آلفا باید به راحتی از ورقه طلا عبور کنند چراکه قدرت میدان مغناطیسی حاصل از ذرات مثبت، بسیار ضعیف است و تاثیری بر مسیر ذرات سنگین و سریع آلفا نخواهد داشت. نتایج حاصل از آزمایش با نتایج مورد انتظار، متفاوت بود. درحالیکه تمامی ذرات آلفا به طور مستقیم از میان ورقه طلا عبور کردند،‌ تعداد کمی ذرات،‌ بیش از ۹۰ درجه انحراف داشتند.

رادرفودر نتایج آزمایش خود را این‌گونه توصیف کرد: «این آزمایش، عجیب‌ترین رویدادی بود که تاکنون در زندگی من رخ داده است. شگفتی آن به گونه‌ای است که گویی یک توپ ۱۵ اینچی را شلیک کرده باشید و این توپ با برخود به ورقه نازک طلا و تغییر مسیر خود، به شما برخورد کند.»

مدل هسته‌ ای اتم

رادرفورد بر اساس یافته‌های آزمایش خود، نتایج زیر را برای ساختار یک اتم ارائه داد:

• بار مثبت باید در حجم بسیار کمی از اتم قرار داشته باشد که این حجم کم، بیشتر جرم اتم را تشکیل می‌دهد. این امر توضیح می‌دهد که چرا کسر کمی از ذرات آلفا، با اختلاف بسیار زیادی از مسیر خود منحرف شدند و این تغییر مسیر ممکن است در اثر برخورد با هسته طلا باشد.
• از آن‌جایی که بیشتر ذرات آلفا، به طور مستقیم از میان ورقه طلا عبور کردند،‌ در نتیجه بیشتر فضای اتم را حجم خالی تشکیل می‌دهد.

الکترون و پاد ذره

خواص الکترون چیست؟

الکترون‌ها ذرات بسیار کوچکی هستند. جرم یک الکترون در حدود $$\frac{1}{2000}$$ جرم یک پروتون یا نوترون است. بنابراین، الکترون‌ها سهمی در جرم یک اتم ندارند. الکترون بار الکتریکی برابر با $$-1$$ دارد که برابر اما مخالف بار الکتریکی $$+1$$ در پروتون است. اتم‌های خنثی همگی تعدادی برابر از الکترون و پروتون دارند و در نتیجه، این بارهای مثبت و منفی یکدیگر را خنثی می‌کنند.

محل الکترون‌ ها در اتم کجاست؟

برخلاف نوترون‌ها و پروتون‌ها که در داخل و مرکز هسته اتم قرار دارند، الکترون‌ها را باید در خارج از هسته جستجو کرد. از آن‌جایی که بارهای مخالف، یکدیگر را جذب می‌کنند، الکترون منفی به هسته مثبت، جذب می‌شود. این جاذبه سبب خواهد شد تا الکترون‌ها در فضای خالی اطراف هسته در حرکت باشند. از تصویر زیر به طور معمول برای نشان دادن ساختار یک اتم بهره می‌گیرند. این تصویر، الکترون را به صورت ذره‌ای نشان می‌دهد که در اطراف هسته در حال  چرخش است. حرکت الکترون‌ها در اطراف هسته، پیچیدگی‌هایی دارد که توسط مکانیک کوانتوم توضیح داده می‌شود.

اوربیتال‌ ها

سطوح انرژی

الکترون‌ها در فاصله‌ای ثابت از هسته قرار دارند که به این فواصل ثابت، سطوح انرژی می‌گویند. در تصویر بعدی می‌توانید سه سطح اولیه انرژی را مشاهده کنید. این تصویر، بیشترین تعداد الکترون در هر سطح را نیز نشان می‌دهد. در ادامه قصد داریم تا نکات بیشتری در خصوص سطوح انرژی بیان کنیم.

• الکترون‌ها در سطوح انرژی پایین‌تر، انرژی کمتری دارند و به هسته نیز نزدیک‌تر هستند. در پایین‌ترین سطح انرژی، تنها یک اوربیتال وجود دارد، در نتیجه، این سطح از انرژی تنها دو الکترون خواهد داشت.
• تنها زمانی الکترون‌ها به سطح انرژی بالاتر منتقل می‌شوند که سطح انرژی پایین‌تر، پر شده باشد. الکترون‌هایی که در سطوح انرژی بالاتری هستند، انرژی بیشتری نیز دارند. این سطوح همچنین، اوربیتال‌های بیشتر و به دنبال آن تعداد الکترون بیشتری نیز خواهند داشت.
• الکترونی که در خارجی‌ترین سطح انرژی یک اتم قرار دارد، الکترون والانس یا الکترون لایه ظرفیت نام دارد. این نوع از الکترون‌ها، بسیاری از خواص یک عنصر را تعیین می‌کنند زیرا این الکترون‌ها، در بسیاری از واکنش‌های شیمیایی با سایر اتم‌ها دخیل هستند. اتم‌ها ممکن است الکترون‌های والانس خود را به اشتراک بگذارند یا در پیوندهایی، آن‌ها را مبادله کنند.

حقایقی در خصوص الکترون

در ادامه، موارد مختلفی را در خصوص یک الکترون مطرح خواهیم کرد.

فیلم آموزش فیزیک پایه دوازدهم در فرادرس

کلیک کنید

شعاع الکترون

برای الکترون‌ها، شعاع و در نتیجه حجمی در نظر نمی‌گیرند. در حقیقت، الکترون‌ها نوعی «ذره نقطه‌ای» (Point Particle) به شمار می‌آیند که رفتاری موجی‌شکل نیز دارند.

نقش الکترون در ترکیبات شیمیایی

همانطور که در بالا نیز به آن اشاره شد، سطوح انرژی در الکترون‌ها و برهم‌کنش‌هایشان، رفتار شیمیایی و نوع پیوند مواد را تعیین می‌کنند. از جمله این موارد می‌توان به نمونه‌های زیر اشاره کرد:

• اتم‌ها در اثر یونش، ممکن است ترکیباتی را تولید کنند.
• اتم‌ها با اشتراک‌گذاری الکترون در پیوندهای کووالانسی، ترکیبات جدیدی را بوجود می‌آوند.

نقش الکترون در مغناطیس و الکتریسیته

الکتریسته ساکن، ناشی از حرکت الکترون‌ها از بخشی به بخش دیگر است. این نوع از جدایش بارها، این معنی را می‌دهد که بخشی دارای بار مثبت و بخشی دارای بار منفی خواهد بود. جریان الکتریکی نیز،‌ جریان بارهای الکتریکی - به طور معمول الکترون‌ - است که حرکت این الکترون‌ها، مفهوم هدایت الکتریکی را بیان می‌کند.

نقش الکترون در فیزیک کوانتوم

دوگانگی موج ذره

معادله دوبروی و امواج الکترون

طول موج یک ماده با رفتار موجی را می‌توان به کمک «معادله دوبروی» ( de Broglie) محاسبه کرد که رابطه آن به صورت زیر است:

$$\lambda=\mathrm{ h} / \mathrm{ p}$$

در رابطه بالا:

• $$\lambda$$: طول موج
• $$h$$: ثابت پلانک
• $$p$$: تکانه (مومنتوم)

معادله شرودینگر

معادله دیراک و اسپین الکترون

نقش الکترون در اعداد کوانتومی

هر الکترون در اتم با چهار عدد موسوم به اعداد کوانتومی توصیف می‌شود. این اعداد عبارتند از:

• $$n$$: عدد اصلی کوانتومی
• $$l$$: عدد کوانتومی تکانه زاویه‌ای اوربیتال (عدد کوانتومی فرعی)
• $$m_l$$: عدد کوانتومی مغناطیسی
• $$m_s$$: عدد کوانتومی اسپین

تکانه زاویه‌ ای

• تکانه زاویه‌ای به هنگام چرخش الکترون به دور هسته
• تکانه زاویه اسپین