الکترون

ذره ی بنیادی پایداری با بارالکتریکی منفی 1.602X10-19 کولن و جرم -در حال سکون 9.109X10-31 کیلوگرم.الکترون ها درهمه ی اتمها حضوردارند و درلایه‌های خاصی به دور هسته اتم می چرخند.

سیر تحولی و رشد

در نظریه‌های دالتون ونظریه‌های یونانیان ،اتم ها کوچکترین اجزای ممکن ماده بودند.اما دراواخر سده نوزدهم کم کم معلوم شد که اتم خود از ذراتی کوچک تر ترکیب یافته است.این تغییردیدگاه ، نتیجه ی آزمایشهایی بود که با الکتریسته به عمل آمد.در 1807-1808 شیمیدان انگلیسی همفری دیوی با تجزیه مواد مرکب توسط الکتریسته ، پنج عنصرپتاسیم ، سدیم ، کلسیم ، استرونسیم و باریم را کشف کرد و دیوی با این کار به این نتیجه رسید که عناصر با جاذبه‌هایی که ماهیتاً الکتریکی هستند بهم وصل می‌شوند.
درسال 1833-1832 مایکل فارادی مجموعه آزمایش های مهمی در زمینه برقکافت شیمیایی انجام داد.درفرآیند برقکافت ، مواد مرکب به وسیله الکتریسته تجزیه می‌شوند.فارادی رابطه بین مقدار الکتریسته مصرف شده و مقدار ماده مرکب تجزیه شده را بررسی کرد و فرمول قوانین برقکافت را بدست آورد.برمبنای کار فارادی ، جرج جانستون استونی در سال 1874 به طرح این مسأله پرداخت که:واحدهای بار الکتریکی با اتم ها پیوستگی دارند. او در سال 1891 این واحد را الکترون نامید.
درسالهای پایانی سده نوزدهم میلادی بیشتر فیزیکدانان به این باور رسیدند که الکتریسته به دو صورت ظاهر می‌شود:یکی به صورت الکترون با جرم 9.109534X10-31 کیلو گرم و بار منفی 1.602X10-19 کولن و دیگری به صورت پروتون با جرم 1.672623X10-27 کیلو گرم و بار 1.602177X-19 اعتقاد بر این بود که اتم ها (و در نتیجه مولکول ها) ازترکیب الکترون ها و پروتون ها شکل می‌گیرد.دراوایل دهه 1930 معلوم شد که همه اتم ها (بجز هیدروژن)از پروتون های مثبت و نوترون های خنثی و با جرم 1.675X10-27 و بدون بار الکتریکی مثبت تشکیل می‌شود. همچنین کشف شد که الکترون مثبت (یا پوزیترون)نیزبا جرمی برابر با جرم الکترون و باری برابر با بار الکترون ولی با علامت مثبت (دست کم به صورت لحظه‌ای)وجود دارد.

ساختار اتم الکترونی

چنانچه گفته شد اتم ها از ترکیب الکترون ها و پروتون ها شکل گرفته‌اند و هسته اتم ها نیز از پروتون های مثبت و نوترون های خنثی تشکیل شده است. به این ترتیب ، اتم خنثی هسته‌ای با بارمثبت دارد که با الکترون های (منفی) احاطه شده است.اندازه هسته در هراتم از مرتبه حدود 10/1 اندازه‌ اتم است.بقیه حجم اتم را الکترون های مداری در اشغال خود دارند.

انتقال الکترون ها

در رسانای الکتریسته (که معمولاً از جنس فلزند)، مسیرهایی برای انتقال سریع الکترون ها وجود دارد.یون ها (اتم ها و مولکول های با بارالکتریکی مثبت یا منفی در محلول ها)نیزمی‌توانند رساننده الکتریسته باشند.الکتریسته می‌تواند در هوا یا گازهای دیگر نیزمنتقل شود، این انتقال یا به صورت جرقه‌ای است که چشمه‌ای با ولتاژ زیاد (چند هزار ولت به ازای هر سانتیمتر فاصله) آن را در فشار جو به وجود می‌آورد.و یا در فشارکم نظیر آنچه در لامپ های نئونی روی می‌دهد به صورت تخلیه الکتریکی است.

گسیل الکترون

فلزات داغ الکترون های فراوانی گسیل می‌کنند که آنها را می‌توان درخلأ خوب به صورت پرتوهای کاتدی شتاب داد.این پرتوهای تولید شده در لامپ کاتدی را می‌توان به کمک میدان های الکتریکی و مغناطیسی فلوئورتاب کانونی کرد. لامپ هایی که براین اساس کار می‌کنند در میکروسکوپ های الکترونی ، صفحه‌های نمایشی رایانه‌ها و همچنین در تلویزیون ها کاربرد دارد.
بر اثر کوشش هایی که برای عبور جریان برق در خلأ به عمل آمد ، یولیوس پلوکر در 1859 پرتوهای کاتدی را کشف کرد.موضوع از این قرار بود که دو الکترود در یک لوله شیشه‌ای وارد کردند و پس از مسدود کردن لوله ، هوای آن را تقریباً بطور کامل بیرون کشیدند.وقتی یک ولتاژ زیاد بین دو الکترود برقرار گردید،ازالکترود منفی که کاتد نامیده می‌شود پرتوهایی گسیل یافت. این پرتوها بارمنفی دارند، برخط راست سیرمی‌کنند و بر دیواره مقابل کاتد موجب تلألو می‌شوند.لامپ های تصویری که در صفحه تلویزیون و صفحه نمایش های کامپیوتری به کار می‌روند.لوله‌های پرتو کاتدی جدیدی هستند، در این لامپ ها پرتوها برصفحه‌ای متمرکز می‌شوند.این صفحه با موادی پوشیده شده‌ که هنگام برخورد با تابش پرتوها درخشش ایجاد می‌کنند.
دراواخر سده نوزدهم ، پرتوهای کاتدی به طور وسیعی مورد بررسی قرار گرفت.آزمایش های متعدد دانشمندان به این نتیجه انجامید که پرتوهای مذکور جریانی از ذرات باردار منفی است که حرکتی سریع دارند.این ذرات همان طور که استونی پیشنهاد کرده بود الکترون نامیده شد.این الکترون ها که از فلز کاتد ناشی می‌شوند همواره یکسانند و به جنس فلز بستگی ندارند.چون بارهای ناهمنام یکدیگر را جذب می کنند، جریان الکترون هایی که پرتوی کاتدی را بوجود می‌آورند هرگاه از میان دو صفحه با بارهای مخالف بگذرند به طرف صفحه‌ای که بار مثبت دارد کشیده می‌شوند.بنابراین پرتوهای کاتدی در یک میدان الکتریکی از مسیر عادی مستقیم خود منحرف می‌شوند.درجه این اختلاف به دو عامل بستگی دارد:
1.انحراف به طور مستقیم با اندازه بار ذره تغییر می‌کند.ذره‌ای که بار بیشتری دارد بیشتر از ذره‌ای که بار کمتری دارد منحرف می‌شود.
2.انحراف به طور معکوس با جرم ذره تغییر می‌کند.ذره‌ای با جرم بزرگتر کمتر از ذره‌ای با جرم کوچک تر منحرف می‌شود.

انواع الکترون ها

الکترون آزاد

الکترونی که از اتم جدا شده و به آن بستگی ندارد.الکترون های بیرونی‌ترین لایه‌های اتم های فلزات بستگی کمتری نسبت به اتم های خود دارند و با گرفتن انرژی کوچکی از این اتم ها کنده می‌شوند و به شکل توده‌ای از ابر یا گاز ، شبکه‌های اتمی فلزات را در بر می‌گیرند.هنگامی که الکترون های آزاد در میدان الکتریکی قرار گیرند، جریان الکتریکی بوجود می‌آید.

الکترون اوژه

الکترون اوژه نوعی الکترون آزاد است که از اتم یا یون گسیل می‌شود. الکترون اوژه از بازآرایی الکترون های مقید از اتم یا یون اولیه سرچشمه می‌گیرد.این بازآیی از واکنش الکترون -الکترون که مولد نیروی دافعه است و می‌تواند بر نیروی جاذبه ناشی از برهمکنش الکترون -هسته فایق آید، صورت می‌گیرد.با آن همه بازآیی یاد شده تنها هنگامی می‌تواند رخ دهد که حداقل جای یک الکترون در تراز انرژی معین اتم یا یون اولیه خاصی باشد و در تراز با انرژی بیشتر از انرژی تهی جا حداقل دو الکترون وجود داشته باشد، یکی از الکترون های تراز بالاتر به تراز دارای تهی جا سقوط می‌کند و الکترون دیگر به صورت الکترون آزاد از اتم خارج می‌شود.

الکترون ظرفیت یا الکترون والانس

هر یک از الکترون های لایه خارجی اتم که در ایجاد پیوندهای شیمیایی شرکت می‌کنند.

الکترون رسانش

اتم های هر فلزی با پیوندهای کووالانسی که راستای کاملاً مشخص ندارند و میان چندین اتم پخش شده‌اند، به همدیگر مقید هستند.بنابراین الکترون هایی که قیدشان در ضعیف ترین حد است (الکترون ظرفیت)می‌توانند در سراسر فلز حرکت کنند.این الکترونهای متحرک که الکترون رسانش نامیده می‌شود در خواص الکترونی و انتقال گرما در فلزها دخالت دارد.
•مدل گاز آزاد فرمی:برای فلزهای ساده مانند (pb , TI , In , GA , Al , Ba , Sr, Ca , Mg , Be , Rb , Cs , Ka , Na , Li) سهم الکترون رسانش در رسانندگی گازی از فرمیونها بدون برهم کنش و با چشم پوشی از انرژی پتانسیل ناشی از بخش مرکزی یون ها ،می‌توان محاسبه کرد.در این مدل ، انرژی مجاز الکترون های رسانشی پیوسته‌اند و در انرژی فرمی εf با یک سطح کروی فردی روبرو هستیم.
•خواص الکترونی:وقتی یک میدان الکتریکی خارجی به فلز اعمال می‌شود الکترون های رسانش شروع به شتاب گرفتن می‌کنند.اما برخورد این الکترون ها با ناخالصی ها به فوتون ها ، ناکاملی های شبکه ، حرکتشان را کند می‌کند، این فرآیند منجربه حالتی مانا می‌شوند که در آن سرعت سوق برای الکترون رسانش عبارت است از: v = -eET/m
که در آن e بار الکترون ، E میدان الکتریکی ، T زمان میانگین بین برخورد (یا زمان واهلش) و m جرم الکترون است.
•سرعت سوق الکترون:میانگین سرعتی که با آن الکترون ها یا یون ها ، بر اثر میدان الکتریکی در ماده‌ای رسانا یا نیم رسانا جابجا می‌شوند.نیم رساناهای خالص و آلاییده دارای حامل های (الکترون ها و حفره‌های رسانش)آزادی هستند که تحت تأثیر میدان الکتریکی ممکن است در داخل جسم جابجا شوند. تعداد الکترون ها و حفره‌ها به جنس نیم رسانا و میزان و نوع آلایش و دمای آن بستگی دارد.اما در هر نیم رسانای قابل استفاده این تعداد معمولاً بین 1022 تا 1026 الکترون یا حفره در هر مترمکعب است.درغیاب میدان الکتریکی این حامل ها درجهت کاتوره‌ای در جسم حرکت می‌کنند و بنابراین جریان الکتریکی خالص بوجود نمی‌آورند.
هرگاه میدان الکتریکی برقرار شود، بر حامل ها نیروی الکتریکی وارد می‌شود و در جهت نیرو به آنها شتاب داده می‌شود، که این امر به ایجاد جریان الکتریکی می‌انجامد.اما حامل ها با اتم ها و نقص بلور ، مانند ناخالصی ها و دررفتگی ها نیز برهم کنش و برخورد نیزدارند و این برخوردها سبب می شوند سرعت الکترون کاتوره‌ای شود.به این ترتیب الکترون ها و حفره‌ها در جهت نیروی الکتریکی دارای سرعت متوسطی هستند.و این سرعت متوسط یا سرعت سوق با توازن بین نیروی الکتریکی در زمان T فاصله زمانی میانگین بین برخوردها مشخص می‌شود.
سرعت برخورد برابر است با Vp = eTE/m که در آن ، E میدان الکتریکی اعمال شده بر حسب ولت متر را ، e بار الکترون و *m جرم مؤثر حامل است.

اسپین الکترون

اسپین یکی از ویژگی های درونی ذرات است.اسپین خاصیتی است که به غیر صفر بودن تکانه زاویه‌ای ذره ساکن مربوط می‌شود، اینکه الکترون ها دارای اسپین هستند از اهمیت خاصی برخوردار است.اسپین الکترون در شیمی و در جنبه‌هایی از رفتار ماده معمولی ، به ویژه در پدیده‌های مغناطیسی نقش اساسی ایفا می‌کند.الکترون حامل اسپین 2/1 هسته و این بدان معنی است که برای الکترون ساکن اندازه گیری تکانه زاویه ای نسبت به یک محور مفروض به یکی از دو نتیجه ممکن ħ/2 ± می‌انجامد ħ = h/2π ثابت کاهیده پلانک است.
اسپین الکترون دو پیامد نزدیکی دارد:یکی این که الکترون ها را به صورت آهن ربایی میکروسکوپیکی در می‌آورد، که هم میدان مغناطیسی تولید می‌کنند و هم در برابر میدان مغناطیسی واکنش نشان می‌دهند.دیگر این که یک درجه آزادی داخلی نمی‌توانند حالت کوانتمی یکسان داشته باشند و این خاصیتی است به فرمیون بودن الکترون ها مربوط می‌شود.

پراش الکترون

فیزیک کلاسیک ، الکترون ها را ذراتی در نظر می‌گیرد با جرم و بار معین ، برهم کنش الکترون با میدان های الکتریکی و مغناطیسی را می‌توان بر حسب حرکت ذره توضیح داد.آزمایش های اولیه با لامپ پرتوی کاتودی که باریکه الکترون را فراهم می‌آورد، نشان داد که اجسام کوچکی که در لامپ قرار داده شوند روی پرده فسفری سایه واضح می‌اندازند.این آزمایش با تصویر کلاسیکی الکترون به صورت ذره کاملاً سازگار است.
طول موج دوبروی الکترونی با انرژی 10000v یعنی الکترونی که با پتانسیل 1000v شتاب گرفته باشد، برابر 4X10 متر است.چون این مقداربسیار کوچک تر از اندازه جسم است، اثر پراش بسیار کوچک تر از آن است که دیده شود.بلافاصله بعد از این که دوبروی اظهارنظر کرد که ماده باید خواص موجی از خود نشان دهد، والترالساسر اعلام کرد که پراش الکترون ها باید در سطح بلورقابل مشاهده باشد.
/س