الکترون و اهمیت آن در ساختار اتم

الکترون ها ذرات زیر اتمی هستند که بار آنها از نظر بزرگی برابر با بار پروتون ولی با علامت مخالف است. اتم ها / مولکول های خنثی باید تعداد الکترون و پروتون برابر داشته باشند.

اگرچه بزرگی بارهای پروتون ها و الکترون ها یکسان است اما اندازه و جرم الکترون بسیار کمتر از یک پروتون است (جرم الکترون تقریباً 1/1836 جرم یک پروتون است).

با توجه به اندازه و جرم کوچک آنها، خصوصیات نمایش داده شده توسط الکترونها با کمک مکانیک کوانتوم بهتر از مکانیک کلاسیک قابل بررسی است.

الکترون چیست به زبان ساده:
الکترون ذره ای زیراتمی با بار منفی است، در مقایسه با سایر ذرات زیر اتمی عدم اطمینان در رابطه با موقعیت و سرعت آنها بسیار بیشتر از پروتون یا نوترون است، همانطور که در اصل عدم اطمینان هایزنبرگ وجود دارد.

الکترونها در اطراف هسته اتمها در اوربیتالهای اتمی توزیع می شوند، که به سادگی می توان آنها را به صورت مناطقی در اطراف هسته که احتمال یافتن یک الکترون خاص بیشترین است، تجسم کرد. در مبحث الکترون چیست علوم هشتم به طور کامل به این موارد پرداخته شده است.

از نظر ذرات سازنده الکترون باید گفت که آنها برخلاف پروتون و نوترون شامل ذرات کوچک تری نیستند. در واقع الکترون نوعی ذره بنیادی به نام لپتون است که بار الکتریکی −1 تا 0 دارد. نماد الکترون پروتون نوترون برای شناسایی این ذرات از هم متفاوت است.

تاریخچه کشف الکترون:
در اواخر قرن نوزدهم فیزیکدان انگلیسی به نام جوزف تامسون در آزمایش لوله پرتو کاتدی با اعمال ولتاژ بالا به الکترودهای یک سر لوله، باریکه ای از ذرات را از کاتد به آند تاباند.

این پرتو هنگام عبور از صفحه با بار منفی دفع و به طرف صفحه ای که با بار مثبت داشت، جذب شد. با این آزمایش مشخص شد که پرتو کاتدی از ذراتی با بار منفی تشکیل شده است. این ذرات سرآغاز کشف الکترون و سایر ذرات زیر اتمی بود.

او سپس مدل کیک کشمشی تامسون را برای نشان دادن ساختار اتم ها بیان کرد. این مدل الکترونها را ذراتی با بار منفی توصیف می کند که در میان بارهای مثبت در حرکت می کنند. این مدل با بررسی های بیشتر و کشف اروبیتال های الکترون مردود شد.

سپس ارنست رادرفورد طی آزمایشی پرتو باریکی از ذرات آلفا را به ورقه نازکی از طلا تاباند. بر اساس مدل کیکی کشمشی تامسون و وجود بارهای مثبت در اتم، بیشتر ذرات آلفا باید به راحتی از ورقه طلا عبور می کردند ولی تعداد کمی ذرات، بیش از 90 درجه انحراف داشتند و این تغییر مسیر بسیار عجیب بود.

وی بر این اساس اعلام کرد که بار مثبت باید حجم بسیار کمی از اتم را اشغال کرده باشد که هسته اتم را تشکیل می دهد و با الکترونهای منفی احاطه شده است.

مدل هسته ای (مدل اتمی) رادرفورد توصیفی از نتایج آزمایشگاهی او بود که در نهایت نیلز بوهر آزمایشات جدیدی را مطرح کرد که به کمک آن ها مدل جدید مکانیک کوانتومی ارائه شد که جایگاه و اهمیت الکترونها در اتم ها نشان می دهد.

آشنایی با خواص و ویژگی الکترون:
خواص الکترون:
الکترون ها ذرات زیر اتمی بسیار کوچکی هستند که جرم آنها حدود 12000 جرم یک پروتون یا نوترون تخمین زده شده است.

بار این ذرات برابر با 1- است و اگر می پرسید چرا بار الکترون منفی است باید گفت که اتم ها برای خنثی شدن نیازمند برابری بار الکترون و پروتون هستند تا بارهای مثبت و منفی یکدیگر را خنثی کنند.

محل الکترون ها:
با تجسم مدل اتمی توضیح دادیم که نوترون ها و پروتون ها در داخل و مرکز هسته اتم قرار دارند. در بین ذرات زیراتمی الکترون ها در خارج از هسته قرار دارند و بار منفی آن جذب هسته مثبت می شود.

این جاذبه، الکترون ها را در فضای خالی اطراف هسته نگه می دارد. پیچیدگی های حرکت این ذرات در اطراف هسته اتم توسط مکانیک کوانتوم توضیح داده می شود.

شعاع الکترون:
برای این ذرات در مدل اتمی، شعاع و یا حجمی در نظر گرفته نمی شود. در واقع الکترون نوعی ذره نقطه ای با رفتار موجی شکل است.

اوربیتال:
محدوده ای که احتمال حضور الکترون در آن بیشتر است اوربیتال نامیده می شود. هر اوربیتال تنها گنجایش دو الکترون را دارد. اوربیتال ها اشکال مختلفی دارند مثلا اوربیتال های نوع s، کروی شکل و اوربیتال های p، دمبل شکل است.

انرژی الکترون:
انرژی الکترون در هر مدار بر اساس فیزیک کوانتوم متفاوت است زیرا این ذرات در هر لحظه می توانند سطوح معینی از انرژی را اختیار کنند.

الکترونها در سطوح انرژی پایین تر به هسته نیز نزدیک تر هستند. در پایین ترین سطح انرژی، تنها یک اوربیتال وجود دارد و این سطح از انرژی تنها دو الکترون خواهد داشت.

کاربردهای الکترون:
پرتوهای الکترونی در زمینه های مختلفی مانند جوشکاری، درمان تومورها، لیتوگرافی پرتوی الکترونی، پردازش پرتوهای الکترونی مورد استفاده قرار می گیرند.

از دیگر کاربردها می توان به پراش الکترونی با انرژی کم، لیزر الکترونی آزاد و لوله های کاتدی ری و لوله های خلا اشاره کرد.

الکترون آزاد چیست؟
مدل الکترون آزاد یک مدل ساده برای رفتار حامل های بار در یک جامد فلزی است. این مدل در سال 1927 توسط آرنولد سامرفلد توسعه یافت و با توجه به سادگی به طرز حیرت انگیزی در توضیح بسیاری از پدیده های تجربی موفق عمل می کند.

مبحث الکترون آزاد چیست علوم هشتم نیز به این مسئله پرداخته است. با تحقیق در مورد الکترون پروتون نوترون می توان به ویژگی های بیشتری در رابطه با این ذرات پی برد.

الکترون در کجای اتم قرار دارد؟
دانشمندان پس از کشف ذرات بنیادی زیر اتمی متوجه شدند که یک اتم در مرکز خود حاوی جرم انبوهی است که هسته نامیده می شود.

هسته اتم شامل پروتون ها و نوترون ها است. با توجه به مدل منظومه شمسی که خورشید در مرکز آن قرار دارد و سیارات به دور آن می چرخند به طور مشابه در یک اتم، هسته در مرکز است و الکترونها به دور هسته می چرخند.

الکترونها ذرات دارای بار منفی با جرم ناچیز هستند. جرم یک اتم حاصل جمع تعداد پروتون ها و نوترون ها است.

پروتون ها ذرات دارای بار مثبت هستند در حالی که نوترون ها هیچ باری را حمل نمی کنند. تعداد پروتون ها و الکترونها برابر است از این رو یک اتم ماهیت الکتریکی خنثی دارد. پروتون و نوترون با هم به عنوان نوکلئون شناخته می شوند.

جرم پروتون به الکترون که با μ یا β نشان داده می شود برابر است با جرم سکون پروتون تقسیم بر جرم سکون الکترون.

این نسبت در واقع یک کمیت فیزیکی بدون بعد است و تابعی از ثابت های فیزیکی بدون بعد با یک مقدار عددی مستقل است.

چرا الکترون می چرخد؟
مدل اتمی رادرفورد الکترونها را روی مدارهایی نشان می دهد که در اطراف هسته به صورت ثابت قرار گرفته اند. ولی دانشمندان بعدی از جمله نیلس بوهر نشان دادند که الکترونها در این وضعیت جذب بار مثبت هسته شده و روی هسته سقوط می کنند.

با در نظر گرفتن منظومه شمسی می توان گفت که حرکت این ذرات مانند سیارات روی مدارهای خاص با به وجود آوردن نیروی گریز از مرکز مانع سقوط الکترونها بر روی هسته خواهد شد.

اتم چیست؟
اتم ها واحدهای اساسی ماده و ساختار تعیین کننده عناصر هستند. اصطلاح اتم از کلمه یونانی تقسیم ناپذیر می آید، زیرا زمانی تصور می شد که اتم ها کوچک ترین جزء جهان هستند و قابل تقسیم نیستند.

اکنون می دانیم که اتم ها از سه ذره پروتون، نوترون و الکترون و حتی از ذرات کوچک تر مانند کوارک تشکیل شده اند.