Какими свойствами обладает электрон

Все вокруг нас на планете состоит из маленьких, неуловимых для зрения частиц. Электроны – это одни из них. Их открытие произошло относительно недавно. И оно открыло новые представления о структуре атома, механизмах передачи электричества и устройства мира в целом.

Как делили неделимое

В современном понимании электроны – это элементарные частицы. Они являются целостными и не раскалываются на более мелкие структуры. Но такое представление существовало не всегда. До 1897 года об электронах не имели никакого понятия.

Ещё мыслители Древней Греции догадывались о том, что каждая вещь на свете, подобно зданию, состоит из множества микроскопических «кирпичиков». Наименьшей единицей вещества тогда считался атом, и это убеждение сохранялось веками.

Представление об атоме изменились только в конце XIX века. После исследований Дж. Томсона, Э. Резерфорда, Х. Лоренца, П. Зеемана, мельчайшими неделимыми частицами были признаны атомные ядра и электроны. Со временем были открыты протоны, нейтроны, а ещё позже – нейтрино, каоны, пи-мезоны и т. д.

Сейчас науке известно огромное количество элементарных частиц, свое место среди которых неизменно занимают и электроны.

Открытие новой частицы

К моменту, когда были открыты электроны в атоме, ученые давно знали о существовании электричества и магнетизма. Но истинная природа и полные свойства этих явлений до сих пор остаются загадкой, занимая умы многих физиков.

Уже в начале XIX века было известно, что распространение электромагнитного излучения происходит со скоростью света. Однако англичанин Джозеф Томсон, проводя опыты с катодными лучами, заключил, что они состоят из множества мелких крупиц, масса которых меньше атомной.

В апреле 1897 года Томсон выступил с докладом, где и представил научному сообществу рождение новой частицы в составе атома, которую он назвал корпускулой. Позже Эрнест Резерфорд при помощи экспериментов с фольгой подтвердил выводы своего учителя, а корпускулам дали другое название – «электроны».

Это открытие подтолкнуло развитие не только физической, но и химической науки. Оно позволило значительно продвинуться в изучении электричества и магнетизма, свойств веществ, а также дало начало ядерной физике.

Что же такое электрон?

Электроны – это наиболее легкие частицы, обладающие электрическим зарядом. Наши знания о них до сих пор остаются во многом противоречивыми и неполными. Например, в современных представлениях они живут вечно, так как никогда не распадаются, в отличие от нейтронов и протонов (теоретический возраст распада последних превышает возраст Вселенной).

Электроны стабильны и обладают постоянным отрицательным зарядом е=1,6 х 10-19 Кл. Их относят к семье фермионов и группе лептонов. Частицы участвуют в слабом электромагнитном и гравитационном взаимодействии. Они находятся в составе атомов. Частицы, которые потеряли связь с атомами, – свободные электроны.

Масса электронов составляет 9,1 х 10-31 кг и является в 1836 раз меньше массы протона. Они обладают полуцелым и спином, и магнитным моментом. Электрон обозначается буквой “е-“. Так же, но со знаком плюс, обозначается его антагонист – античастица позитрон.

Состояние электронов в атоме

Когда выяснилось, что атом состоит из более мелких структур, нужно было понять, как именно они располагаются в нем. Поэтому в конце XIX века появляются первые модели атома. Согласно Планетарным моделям, протоны (положительно заряженные) и нейтроны (нейтральные) составляли атомное ядро. А вокруг него по эллиптическим орбитам двигались электроны.

Эти представления меняются с появлением квантовой физики в начале XX века. Луи де Бройль выдвигает теорию о том, что электрон проявляет себя не только как частица, но и как волна. Эрвин Шредингер создает волновую модель атома, где электроны представляются в виде облака определенной плотности с зарядом.

Точно определить расположение и траекторию движения электронов вокруг ядра практически невозможно. В связи с этим вводится специальное понятие «орбиталь» или «электронное облако», которое является пространством наиболее вероятного расположения названных частиц.

Энергетические уровни

Электронов в облаке вокруг атома ровно столько, сколько и протонов в его ядре. Все они находятся на разном расстоянии. Ближе всего к ядру расположены электроны с наименьшим количеством энергии. Чем больше энергии находится в частицах, тем дальше они могут находиться.

Но располагаются они не хаотично, а занимают конкретные уровни, которые вмещают только определенное число частиц. Каждый уровень обладает своим количеством энергии и разделяется на подуровни, а те, в свою очередь, на орбитали.

Для описания характеристик и расположения электронов на энергетических уровнях используются четыре квантовых числа:

• n – главное число, определяющее запас энергии электрона (соответствует номеру периода химического элемента);
• l – орбитальное число, которое описывает форму электронного облака (s – сферическая, p – форма восьмерки, d – форма клевера или двойной восьмерки, f – сложная геометрическая форма);
• m – магнитное число, определяющее ориентацию облака в магнитном поле;
• ms – спиновое число, характеризующее обращение электронов вокруг своей оси.

Заключение

Итак, электроны – это стабильные отрицательно заряженные частицы. Они элементарные и не могут распадаться на другие элементы. Их относят к фундаментальным частицам, то есть таким, которые входят в структуру вещества.

Электроны движутся вокруг атомных ядер и составляют их электронную оболочку. Они влияют на химические, оптические, механические и магнитные свойства различных веществ. Эти частицы участвуют в электромагнитном и гравитационном взаимодействии. Их направленное движение создает электрический ток и магнитное поле.

Электроном является элементарная частица, являющаяся одной из главных единиц в структуре вещества. Заряд электрона отрицательный. Самый точные измерения были сделаны в начале двадцатого века Милликеном и Иоффе.

Заряд электрона равен минус 1,602176487 (40)*10-19Кл.

Через эту величину измеряется электрический заряд других мельчайших частиц.

Общее понятие об электроне

В физике элементарных частиц говорится, что электрон — неделимый и не обладающий структурой. Он задействован в электромагнитных и гравитационных процессах, принадлежит к лептоновой группе, так же как и его античастица — позитрон. Среди других лептонов обладает самым легким весом. Если электроны и позитроны сталкиваются, это приводит к их аннигиляции. Подобная пара может возникнуть из гамма-кванта частиц.

До того как измерили нейтрино, именно электрон считался самой легкой частицей. В квантовой механике его относят к фермионам. Также электрон имеет магнитный момент. Если к нему относят и позитрон, то разделяют позитрон как положительно заряженную частицу, а электрон называют негатроном, как частицу с отрицательным зарядом.

Отдельные свойства электронов

Электроны относят к первому поколению лептонов, со свойствами частиц и волн. Каждый из них наделен состоянием кванта, которое определяют в результате измерения энергии, спиновой ориентации и других параметров. Принадлежность к фермионам у него раскрывается через невозможность нахождения в одном состоянии кванта одновременно двух электронов (по принципу Паули).

Его изучают так же, как квазичастицу в периодическом кристаллическом потенциале, у которой эффективная масса способна существенно отличаться от массы в состоянии покоя.

Посредством движения электронов происходит электрический ток, магнетизм и термо ЭДС. Заряд электрона в движении образует магнитное поле. Однако внешнее магнитное поле отклоняет частицу от прямого направления. При ускорении электрон приобретает способность поглощения или излучения энергии в качестве фотона. Из его множества состоят электронные атомические оболочки, число и положение которых определяют химические свойства.

Атомическая масса в основном состоит из ядерных протонов и нейтронов, в то время как масса электронов состовляет порядка 0,06 % от всего атомного веса. Электрическая сила Кулона является одной из главных сил, способных удерживать электрон рядом с ядром. Но когда из атомов создаются молекулы и возникают химические связи, электроны перераспределяются в новом образованном пространстве.

В появлении электронов участвуют нуклоны и адроны. Изотопы с радиоактивными свойствами способны излучать электроны. В условиях лабораторий эти частицы могут изучаться в специальных приборах, а например, телескопы могут детектировать от них излучения в плазменных облаках.

Открытие

Электрон открыли немецкие физики в девятнадцатом веке, когда изучали катодные свойства лучей. Затем другие ученые стали более детально изучать его, выводя в ранг отдельной частицы. Изучалось излучение и другие связанные физические явления.

К примеру, группа во главе с Томсоном оценила заряд электрона и массу катодных лучей, отношения которых, как она выяснили, не зависят от материального источника.
А Беккерель выяснил, что минералы излучают радиацию сами по себе, а их бета-лучи способны отклоняться посредством воздействия электрического поля, причем у массы и заряда сохранялось то же отношение, что и у катодных лучей.

Атомная теория

Согласно этой теории, атом состоит из ядра и электронов вокруг него, расположенных в виде облака. Они находятся в неких квантованных состояниях энергии, изменение которых сопровождается процессом поглощения или излучения фотонов.

Квантовая механика

В начале двадцатого века была сформулирована гипотеза, согласно которой материальные частицы имеют свойства как собственно частиц, так и волн. Также и свет способен проявляться в виде волны (ее называют волной де Бройля) и частиц (фотонов).

В результате было сформулировано знаменитое уравнение Шредингера, где описывалось распространение электронных волн. Этот подход и назвали квантовой механикой. При помощи него вычисляли электронные состояния энергии в атоме водорода.

Фундаментальные и квантовые свойства электрона

Частица проявляет фундаментальные и квантовые свойства.

К фундаментальным относятся масса (9,109*10-31 килограмм), элементарный электрический заряд (то есть минимальная порция заряда). Согласно тем измерениям, что проведены до настоящего времени, у электрона не обнаруживается никаких элементов, способных выявить его субструктуру. Но некоторые ученые придерживаются мнения, что он является точечной заряженной частицей. Как указано в начале статьи, электронный электрический заряд – это -1,602*10-19Кл.

Являясь частицей, электрон одновременно может быть волной. Эксперимент с двумя щелями подтверждает возможность его одновременного прохождения через обе из них. Это вступает в противоречие со свойствами частицы, где каждый раз возможно прохождение только через одну щель.

Считается, что электроны имеют одинаковые физические свойства. Поэтому их перестановка, с точки зрения квантовой механики, не ведет к изменению системного состояния. Волновая функция электронов является антисимметричной. Поэтому ее решения обращаются в нуль тогда, когда одинаковые электроны попадают в одно квантовое состояние (принцип Паули).