Все навколо нас на планеті складається з маленьких, невловимих для зору частинок. Електрони – це одні з них. Їх відкриття відбулося відносно недавно. І воно відкрило нові уявлення про будову атома, механізми передачі електрики і устрою світу в цілому.

Як ділили неподільне

У сучасному розумінні електрони – це елементарні частинки. Вони є цілісними і не розколюються на більш дрібні структури. Але таке уявлення існувало не завжди. До 1897 року про електронах не мали ніякого поняття.


Ще мислителі Стародавньої Греції здогадувалися про те, що кожна річ на світі, подібно до будівлі, що складається з безлічі мікроскопічних «цеглинок». Найменшою одиницею речовини тоді вважався атом, і це переконання зберігалася століттями. Уявлення про атом змінилися тільки в кінці XIX століття. Після досліджень Дж. Томсона, Е. Резерфорда, Х. Лоренца, П. Зеемана, найменшими неподільними частинками були визнані атомні ядра й електрони. Згодом були відкриті протони, нейтрони, а ще пізніше - нейтрино, каони, пі-мезони і т. д. Зараз науці відомо величезна кількість елементарних частинок, своє місце серед яких незмінно займають і електрони.

Відкриття нової частинки

До моменту, коли були відкриті електрони в атомі, вчені давно знали про існування електрики і магнетизму. Але справжня природа і повні властивості цих явищ досі залишаються загадкою, займаючи уми багатьох фізиків. Вже на початку ХІХ століття було відомо, що поширення електромагнітного випромінювання відбувається зі швидкістю світла. Однак англієць Джозеф Томсон, проводячи досліди з катодними променями, уклав, що вони складаються з безлічі дрібних крупинок, маса яких менша атомної.


У квітні 1897 року Томсон виступив з доповіддю, де і представив науковому співтовариству народження нової частинки в складі атома, яку він назвав корпускулой. Пізніше Ернест Резерфорд за допомогою експериментів з фольгою підтвердив висновки свого вчителя, а корпускулам дали іншу назву - «електрони». Це відкриття підштовхнуло розвиток не тільки фізичної, але і хімічної науки. Воно дозволило значно просунутися у вивченні електрики і магнетизму, властивостей речовин, а також дало початок ядерної фізики.

Що ж таке електрон?

Електрони – це найбільш легкі частинки, що володіють електричним зарядом. Наші знання про них досі залишаються багато в чому суперечливими і неповними. Наприклад, в сучасних уявленнях вони живуть вічно, так як ніколи не розпадаються, на відміну від нейтронів і протонів (теоретичний вік розпаду останніх перевищує вік Всесвіту). Електрони стабільні і володіють постійним негативним зарядом е=16 х 10 -19 Кл. Їх відносять до сім'ї фермионов і групи лептонів. Частинки беруть участь в слабкому електромагнітному і гравітаційній взаємодії. Вони знаходяться в складі атомів. Частинки, які втратили зв'язок з атомами, – вільні електрони. Маса електронів становить 91 х 10 -31 кг і є в 1836 разів менше маси протона. Вони володіють і напівцілим спіном, і магнітним моментом. Електрон позначається буквою "е - ". Так, але зі знаком плюс, позначається його антагоніст – античастинка позитрон.

Стан електронів у атомі

Коли з'ясувалося, що атом складається з більш дрібних структур, потрібно було зрозуміти, як саме вони розташовуються в ньому. Тому наприкінці XIX століття з'являються перші моделі атома. Згідно з Планетарним моделям, протони (позитивно заряджені) і нейтрони (нейтральні) становили атомне ядро. А навколо нього по еліптичних орбітах рухалися електрони. Ці уявлення змінюються з появою квантової фізики на початку XX століття. Луї де Бройль висуває теорію про те, що електрон проявляє себе не тільки як частка, але і як хвиля. Ервін Шредінгер створює хвильову модель атома, де електрони представляються у вигляді хмари певної щільності з зарядом. Точно визначити розташування і траєкторію руху електронів навколо ядра практично неможливо. У зв'язку з цим вводиться спеціальне поняття «орбіталь» або «електронне хмара», яке є простором найбільш імовірного розташування названих часток.

Енергетичні рівні

Електронів у хмарі навколо атома рівно стільки, скільки і протонів в його ядрі. Всі вони знаходяться на різній відстані. Найближче до ядра розташовані електрони з найменшою кількістю енергії. Чим більше енергії знаходиться в частинках, тим далі вони можуть перебувати. Але розташовуються вони не хаотично, а займають конкретні рівні, які вміщують тільки певне число частинок. Кожен рівень має своєю кількістю енергії і розділяється на підрівні, а ті, у свою чергу, на орбіталі. Для опису характеристик та розташування електронів на енергетичних рівнях використовуються чотири квантових числа:

n – головне число, що визначає запас енергії електрона (відповідає номеру періоду хімічного елемента);

l – орбітальне число, яке описує форму електронної хмари (s - сферична, p – форма вісімки, d – форма конюшини або подвійний вісімки, f – складна геометрична форма);

m – магнітне число, що визначає орієнтацію хмари в магнітному полі;

ms – спін число, що характеризує обіг електронів навколо своєї осі.

Висновок

Отже, електрони – це стабільні негативно заряджені частинки. Вони елементарні і не можуть розпадатися на інші елементи. Їх відносять до фундаментальних частинок, тобто таким, які входять в структуру речовини. Електрони рухаються навколо атомних ядер і складають їх електронну оболонку. Вони впливають на хімічні, оптичні, механічні і магнітні властивості різних речовин. Ці частинки беруть участь в електромагнітному і гравітаційній взаємодії. Їх спрямоване рух створює електричний струм і магнітне поле.