ماهي الإلكترونات

الإلكترون

هو جسيم ذري سالب الشحنة ،  يمكن أن يكون إما حرًا (غير مرتبط بأي ذرة) ، أو مرتبطًا بنواة الذرة ، توجد الإلكترونات الموجودة في الذرات في أذرع كروية من أنصاف أقطار مختلفة ، تمثل مستويات الطاقة .[1]

ويرمز للإلكترون بالرمز e  أو B  ، و تنتمي الإلكترونات إلى الجيل الأول من عائلة جسيمات اللبتون ،  ويُعتقد عمومًا أنها جسيمات أولية لأنها لا تحتوي على مكونات أو بنية أساسية معروفة ، و للإلكترون كتلة تقارب 1/1836 كتلة البروتون ،  تتضمن الخواص الميكانيكية للإلكترون زخمًا زاويًا جوهريًا (تدور) بقيمة نصف عدد صحيح ، و لا يمكن لأي إلكترونين شغل نفس الحالة الكمية .

و تعرض الإلكترونات خواص كل من الجزيئات والأمواج : يمكن أن تصطدم بجزيئات أخرى ويمكن أن تنحرف مثل الضوء ، و من السهل ملاحظة خصائص موجات الإلكترونات مع تجارب أكثر من تلك الموجودة في الجسيمات الأخرى مثل النيوترونات والبروتونات لأن الإلكترونات لها كتلة أقل وبالتالي طول موجة دي برولي أطول لطاقة معينة.[2]

تلعب الإلكترونات دورًا أساسيًا في العديد من الظواهر الفيزيائية ، مثل الكهرباء والمغناطيسية والكيمياء والتوصيل الحراري ، وتشارك أيضًا في التفاعلات الجاذبية و

الكهرومغناطيسية

والضعيفة ، نظرًا لأن للإلكترون شحنة ، فإنه يحتوي على مجال كهربائي محيط ، وإذا كان هذا الإلكترون يتحرك بالنسبة للمراقب ، فإن المراقب سوف يلاحظ ذلك لتوليد مجال مغناطيسي ، وستؤثر الحقول الكهرومغناطيسية المنتجة من مصادر أخرى على حركة الإلكترون وفقًا لقانون قوة لورنتز .

تشع الإلكترونات أو تمتص الطاقة في شكل

فوتونات

عندما يتم تسريعها ،  الأدوات المخبرية قادرة على حبس الإلكترونات الفردية وكذلك بلازما الإلكترون باستخدام الحقول الكهرومغناطيسية ، و يمكن للتلسكوبات الخاصة اكتشاف بلازما الإلكترون في الفضاء الخارجي ، كما تشارك الإلكترونات في العديد من التطبيقات مثل الإلكترونيات واللحام وأنابيب أشعة الكاثود والمجاهر الإلكترونية والعلاج الإشعاعي والليزر وكاشفات التأين الغازي ومسرعات الجسيمات .[2]

تعتبر الشحنة على إلكترون واحد هي الشحنة الكهربائية للوحدة  ، تكون الشحنة الموجودة على الإلكترون مساوية ، ولكن العكس ، للشحنة الموجبة على بروتون أو ثقب ،  لا يتم قياس كمية الشحنة الكهربائية عادةً من حيث الشحن على إلكترون واحد ، لأن هذه الشحنة صغيرة جدًا ،  بدلاً من ذلك ، الوحدة المعيارية لكمية الشحنة الكهربائية هي كولوم ، يرمز لها بـ C ، و تمثل حوالي 6.24 × 1018 إلكترون ، و تبلغ شحنة الإلكترون ، التي يرمز إليها بالرمز e ، حوالي 1.60 × 10-19 مئوية ، وتبلغ كتلة الإلكترون ، حوالي 9.11 × 10-31 كيلوغرام ، الإلكترونات التي تتحرك في جزء ملموس من سرعة الضوء ، على سبيل المثال في مسرع الجسيمات ، لها كتلة أكبر بسبب الآثار النسبية .[1]

متى تم اكتشاف الإلكترون

تم اكتشاف الإلكترون في عام 1897 من قبل الفيزيائي الإنجليزي جي .

طومسون

أثناء التحقيقات في أشعة الكاثود ، و لعب اكتشافه للإلكترونات ، الذي أطلق عليها في البداية الجسيمات ، دورًا محوريًا في إحداث ثورة في معرفة التركيب الذري ، في ظل الظروف العادية ، ترتبط الإلكترونات بنواة الذرات المشحونة إيجابياً عن طريق الجذب بين الشحنات الكهربائية المعاكسة ، في ذرة محايدة ، يكون عدد الإلكترونات مطابقًا لعدد الشحنات الموجبة على النواة ، ومع ذلك ، قد تحتوي أي ذرة على إلكترونات أكثر أو أقل من الشحنات الموجبة ، وبالتالي تكون سالبة أو موجبة الشحنة ككل ؛ تعرف هذه الذرات المشحونة بالأيونات ، ليست كل الإلكترونات مرتبطة بالذرات ؛ يحدث البعض في حالة حرة مع أيونات في شكل مادة تعرف باسم البلازما .

داخل أي ذرة معينة ، تتحرك الإلكترونات حول النواة في ترتيب منظم للمدارات ، والتغلب على الإلكترونات والنواة يتغلب على الطرد بين الإلكترونات التي من شأنها أن تتسبب في تحليقها ، يتم تنظيم هذه المدارات في قذائف متحدة المركز تتجه للخارج من النواة ،  الإلكترونات الموجودة في المدارات الأقرب للنواة تُحكم بشدة ، أما المدارات الموجودة في أقصى المدارات الخارجية فتتم حمايتها عن طريق الإلكترونات المتداخلة وهي الأكثر قابلية للنواة .

وبينما تتحرك الإلكترونات داخل هذا الهيكل ، فإنها تشكل سحابة منتشرة ذات شحنة سالبة تشغل كامل حجم الذرة تقريبًا ، يشار إلى الترتيب الهيكلي المفصل للإلكترونات داخل الذرة باسم التكوين الإلكتروني للذرة ،  يحدد التكوين الإلكتروني ليس فقط حجم الذرة الفردية ولكن أيضًا الطبيعة الكيميائية للذرة ، و يعتمد تصنيف العناصر داخل مجموعات العناصر المتماثلة في الجدول الدوري ، على سبيل المثال ، على التشابه في بنياتها الإلكترونية.[3]

قيمة شحنة الإلكترون

لقد عرف العلماء منذ أواخر القرن التاسع عشر أن الإلكترون له شحنة كهربائية سالبة ،  تم قياس قيمة هذه الشحنة لأول مرة بواسطة الفيزيائي الأمريكي روبرت ميليكان بين عامي 1909 و 1910 ، في تجربة ميليكان لإسقاط النفط ، قام بتعليق قطرات الزيت الصغيرة في غرفة تحتوي على رذاذ زيت ، عن طريق قياس معدل سقوط قطرات النفط ، كان قادرا على تحديد وزنهم ، يمكن عندئذٍ إبطاء أو إيقاف قطرات الزيت التي تحتوي على شحنة كهربائية (التي يتم الحصول عليها ، على سبيل المثال ، عن طريق الاحتكاك عند الحركة في الهواء) عن طريق استخدام القوة الكهربائية.

من خلال مقارنة القوة الكهربائية المطبقة مع التغيرات في الحركة ، استطاع ميليكان تحديد

الشحنة الكهربائية

في كل قطرة ،  بعد أن قام بقياس العديد من القطرات ، وجد أن التهم الموجهة إليهم كلها كانت مضاعفات بسيطة برقم واحد. كانت هذه الوحدة الأساسية من الشحنة هي الشحنة على الإلكترون ، وكانت الشحنات المختلفة على قطرات الزيت مطابقة لتلك التي تحتوي على إلكترونات إضافية 2 ، 3 ، 4 ، … من المقبول الآن أن تكون الشحنة على الإلكترون 1.602176565 × 10−19 كولوم ، لهذا العمل ، حصل ميليكان على جائزة نوبل للفيزياء في عام 1923.

تكون شحنة البروتون مساوية للحجم الموجود على الإلكترون ، لكن في المقابل ، يكون البروتون له شحنة موجبة. لأن الشحنات الكهربائية المعاكسة تجذب بعضها البعض ، فهناك قوة جذابة بين الإلكترونات والبروتونات. هذه القوة هي التي تبقي الإلكترونات في مدارها حول النواة ، وهو ما يشبه الطريقة التي يبقي بها الجاذبية الأرض في مدار حول الشمس.[4]

هيكل الذرة

يمكن تحديد عدد البروتونات والنيوترونات والإلكترونات الموجودة في الذرة من مجموعة من القواعد البسيطة.

– عدد البروتونات في نواة الذرة يساوي العدد الذري (Z).

– عدد الإلكترونات في ذرة محايدة يساوي عدد البروتونات.

– عدد الكتلة من الذرة (M) يساوي مجموع عدد البروتونات والنيوترونات في النواة.

– عدد النيوترونات يساوي الفرق بين عدد

كتلة الذرة

(M) والرقم الذري (Z). [5]

المدارات ومستويات الطاقة

لا يمكن أن تكون الإلكترونات في أي مكان تعسفي من النواة على عكس الكواكب التي تدور حول الشمس ؛ فيمكن فقط أن تتواجد في مواقع محددة معينة تسمى المدارات المسموح بها ، هذه الخاصية ، التي أوضحها الفيزيائي الدنماركي نيلز بور في عام 1913 ، هي نتيجة أخرى لميكانيكا الكم – وتحديداً ، شرط أن يكون الزخم الزاوي للإلكترون في المدار ، مثله مثل أي شيء آخر في العالم الكمي ، يأتي في حزم منفصلة تسمى كوانتا . [4]