Електрон: определение, заряд, маса и ключови свойства
Електрон — определение, отрицателен заряд, маса и ключови свойства; ролята в атома, движение, взаимодействия и приложения в електротехника и физика.
Електронът е фундаментална, много лека частица от материята. Символът ѝ е e−. Първите експериментални доказателства за съществуването на електрона са дадени от Джей Джей Томсън през 1897 г., когато той измерва отношение на заряд към маса и показва, че частици с отрицателен заряд могат да бъдат отделени от газове под електрично поле.
Какво е електрон — основни характеристики
Електронът е субатомна частица и се счита за елементарна частица в Стандартния модел на физиката — тоест няма вътрешна, наблюдаема структура и не се разпада на по‑малки частици при познатите условия. Всеки атом съдържа един или повече електрони, които се движат около ядрото на атома в квантово определени состояния (електронни орбитали). Електронът може да бъде отстранен от атома (йонизация) и да съществува като свободна частица.
Заряд и маса
Електронът носи постоянен електрически заряд, който е електрическият му заряд и е отрицателен. Абсолютната стойност на този заряд е |e| = 1.602176634×10−19 кулона (C) — това е основна електрична константа в СИ. Масата на електрона е много малка: приблизително 9.109×10−31 kg (приблизително 0.00055а.е.м. или енергийно 0.511 MeV като отдыхна енергия). Поради малката си маса електроните могат да достигат високи скорости и при ускорение да проявяват релативистични ефекти.
Квантови и спинови свойства
Електронът има собствен момент на количество движение (спин) 1/2 ħ, което го прави фермион — подчинява се на Ферми–Дираковата статистика и на принципа на Паули. Това е от ключово значение за структурата на атомните електронни обвивки и за химическите свойства на елементите: електронни обвивки на елементи и разпределението на валентните електрони определят химическата реактивност и реда в периодичната таблица.
Взаимодействия и полета
Електроните участват в гравитационни, електромагнитни и слаби взаимодействия. В повечето практични ситуации доминира електромагнитната сила — електроните се отблъскват едни от други поради едноименния си заряд и се привличат от протоните поради противоположния заряд. Тези сили са описани чрез електричното и магнитното поле; електронът създава свое електрично поле и има магнитен момент (основен мащаб за магнитния момент е Боровият магнитон).
Вълнови свойства и взаимодействие с материята
Електроните показват вълново‑частичен дуализъм: имат де Бройловата вълнова дължина λ = h/p, което прави възможна използването им в електронна микроскопия — те дават много по‑висока пространствена разделителна способност от видимата светлина при еднаква енергия. При радиоактивен бета частици (бета‑разпад) ядрата могат да емитират електрони или позитрони (антиматериални аналози на електрона).
Електрон и електричество
Електричеството в металите и проводниците е движение на голям брой свободни електрони. Потокът на електрони по проводници (или други проводници) създава електричен ток, който захранва електроуреди, двигатели, комуникационна техника и др. В твърди тела поведението на електроните определя проводимостта — металите имат „морe“ от свободни електрони, докато полупроводниците и изолаторите имат различни електронни енергийни ленти и зарядоносители.
Практическо значение и приложения
- Електрониката и цифровата техника — полупроводникови устройства (диоди, транзистори) управляват потока на електрони и са основата на съвременните компютри и смартфони.
- Електронните микроскопи — използват електронни лъчи за образуване на изображения с много висока резолюция.
- Медицинска и индустриална диагностика — рентгенови лъчи, катодни лъчи, спектроскопия, ускорители на частици.
- Изследвания в фундаменталната физика — прецизни измервания на магнитния момент, изследване на взаимодействия и търсене на физика извън Стандартния модел.
Интересни факти
- Античастицата на електрона е позитронът (e+), открит от Карл Андерсън през 1932 г.
- Електронът е един от най‑изследваните обекти във физиката — неговите свойства (заряд, маса, магнитен момент) са измервани с изключително висока точност.
- Поради принципа на Паули електроните в атомите не могат да заемат едно и също квантово състояние, което обуславя структурата на химичните елементи и стабилността на материята.
Описание
Електроните имат най-малкия електрически заряд. Този електрически заряд е равен на заряда на протона, но е с обратен знак. Поради тази причина електроните се привличат към протоните в атомните ядра. Това привличане кара електроните в близост до ядрото да образуват атом. Масата на електрона е около 1/1836 пъти по-голяма от тази на протона.
Един от начините да си представим разположението на електроните в атома е да си представим, че те обикалят на фиксирани разстояния от ядрото. По този начин електроните в атома съществуват в няколко електронни обвивки около централното ядро. На всяка електронна обвивка се дава номер 1, 2, 3 и т.н., като се започне от най-близката до ядрото (най-вътрешната обвивка). Всяка обвивка може да побере до определен максимален брой електрони. Разпределението на електроните в различните обвивки се нарича електронна подредба (или електронна форма, или форма). Електронната подредба може да бъде показана чрез номериране или електронна диаграма. (Друг начин да се мисли за разположението на електроните е да се използва квантовата механика, за да се изчислят техните атомни орбитали).
Електронът е един от видовете субатомни частици, наречени лептони. Електронът има отрицателен електрически заряд. Електронът има и друго свойство, наречено спин. Стойността на спина му е 1/2, което го прави фермион.
Повечето електрони се намират в атомите, но други се движат самостоятелно в материята или заедно като катодни лъчи във вакуум. В някои свръхпроводници електроните се движат по двойки. Когато електроните се движат, този поток се нарича електричество или електрически ток.
Обектът може да се опише като "отрицателно зареден", ако в него има повече електрони, отколкото протони, или като "положително зареден", когато в него има повече протони, отколкото електрони. Електроните могат да се движат от един обект към друг при допир. Те могат да бъдат привлечени към друг обект с противоположен заряд или отблъснати, когато и двата обекта имат еднакъв заряд. Когато даден обект е "заземен", електроните от заредения обект отиват в земята, което прави обекта неутрален. Именно това правят гръмоотводите (мълниеприемниците).
Химични реакции
Електроните в техните обвивки около атома са в основата на химичните реакции. Пълните външни обвивки с максимален брой електрони са по-малко реактивни. Външните обвивки с по-малко от максималния брой електрони са реактивни. Броят на електроните в атомите е в основата на химичната периодична таблица.
Измерване
Електрическият заряд може да се измери директно с устройство, наречено електрометър. Електрическият ток може да се измери директно с галванометър. Измерването с галванометър е различно от измерването с електрометър. Днес лабораторните уреди могат да съдържат и наблюдават отделни електрони.
"Виждане" на електрон
В лабораторни условия взаимодействието на отделните електрони може да се наблюдава с помощта на детектори на частици, които позволяват измерване на специфични свойства като енергия, спин и заряд. В един от случаите е използван капан на Пенинг, който задържа един електрон в продължение на 10 месеца. Магнитният момент на електрона беше измерен с точност до единадесет цифри, което през 1980 г. беше по-голяма точност, отколкото за която и да е друга физична константа.
Първите видеоизображения на разпределението на енергията на електрона са заснети от екип на университета в Лунд, Швеция, през февруари 2008 г. Учените използваха изключително кратки светлинни проблясъци, наречени атосекундни импулси, които позволиха за първи път да се наблюдава движението на електрона. Разпределението на електроните в твърдите материали също може да бъде визуализирано.
Античастици
Античастицата на електрона се нарича позитрон. Той е идентичен с електрона, но носи електрически и други заряди с обратен знак. Когато електрон се сблъска с позитрон, те могат да се разсеят един от друг или да се анихилират напълно, произвеждайки двойка (или повече) фотони гама-лъчи.
Моделът на Нилс Бор на атома. Три електронни обвивки около ядрото, като един електрон се придвижва от второто към първото ниво и освобождава фотон.
История на откриването му
Ефектът на електроните е бил известен много преди да бъде обяснен. Древните гърци са знаели, че триенето на кехлибар срещу кожа привлича малки предмети. Сега знаем, че триенето отделя електрони и това придава електрически заряд на кехлибара. Много физици са работили върху електрона. През 1897 г. Джей Джей Томсън доказва, че той съществува, но друг човек му дава името "електрон".
Моделът на електронния облак
Моделът разглежда електроните като заемащи неопределени позиции в дифузен облак около ядрото на атома.
Принципът на неопределеността означава, че човек не може да знае едновременно позицията на електрона и неговото енергийно ниво. Тези потенциални състояния образуват облак около атома. Потенциалните състояния на електроните в един атом образуват един-единствен, равномерен облак.
Свързани страници
- Позитрон
- Proton
- Неутрон
Въпроси и отговори
В: Какво представлява електронът?
О: Електронът е много малка частица от материята и е субатомна частица. Той не може да се разпадне на нищо по-малко и има отрицателен електрически заряд.
В: Кой е открил електрона?
О: Електронът е открит от Джей Джей Томсън през 1897 г.
В: Каква маса има електронът?
О: Електроните имат много малка маса или тегло, така че за бързото им движение е необходима много малко енергия.
В: В какви взаимодействия участват електроните?
О: Електроните участват в гравитационни, електромагнитни и слаби взаимодействия. Електромагнитната сила е най-силна в често срещани ситуации.
В: Как електроните си взаимодействат помежду си?
О: Електроните се отблъскват един от друг, защото имат еднакъв електричен заряд, но се привличат от протоните, защото те имат противоположни електрически заряди.
В: Какво захранва телевизорите, двигателите, мобилните телефони и много други неща?
О: Електричеството, което захранва тези устройства, всъщност е много електрони, които се движат по проводници или други проводници.
обискирам