Všetko okolo nás na planéte pozostáva z malých, nepolapiteľných častíc. Elektróny sú jedným z nich. K ich objavu došlo pomerne nedávno. A otvorilo to nové predstavy o štruktúre atómu, mechanizmoch prenosu elektriny a štruktúre sveta ako celku.
Ako sa delilo nedeliteľné
V modernom zmysle sú elektróny elementárne častice. Sú integrálne a nerozpadajú sa na menšie štruktúry. Takáto myšlienka však vždy neexistovala. Elektróny boli neznáme až do roku 1897.
Dokonca aj myslitelia starovekého Grécka uhádli, že každá vec na svete, napríklad budova, pozostáva z mnohých mikroskopických „tehál“. Atóm bol vtedy považovaný za najmenšiu jednotku hmoty a táto viera pretrvala po stáročia.
Pojem atóm sa zmenil až na konci 19. storočia. Po štúdiách J. Thomsona, E. Rutherforda, H. Lorentza, P. Zeemana boli atómové jadrá a elektróny rozpoznané ako najmenšie nedeliteľné častice. Postupom času boli objavené protóny, neutróny a ešte neskôr - neutrína, kaóny, pi-mezóny atď.
Veda teraz pozná obrovské množstvo elementárnych častíc, medzi ktorými svoje miesto vždy zaujímajú elektróny.
Objav novej častice
V čase, keď boli v atóme objavené elektróny, vedci už dávno vedeli o existencii elektriny a magnetizmu. Ale skutočná povaha a úplné vlastnosti týchto javov stále zostávajú záhadou a zamestnávajú mysle mnohých fyzikov.
Už na začiatku 19. storočia bolo známe, že šírenie elektromagnetického žiarenia prebieha rýchlosťou svetla. Angličan Joseph Thomson však pri experimentoch s katódovými lúčmi dospel k záveru, že pozostávajú z mnohých malých zŕn, ktorých hmotnosť je menšia ako atómová.
V apríli 1897 urobil Thomson prezentáciu, kde vedeckej komunite predstavil zrod novej častice v atóme, ktorú nazval telieska. Neskôr Ernest Rutherford pomocou experimentov s fóliou potvrdil závery svojho učiteľa a krvinky dostali iný názov – „elektróny“.
Tento objav podnietil rozvoj nielen fyzikálnych, ale aj chemických vied. Umožnil významný pokrok v štúdiu elektriny a magnetizmu, vlastností látok a dal vzniknúť aj jadrovej fyzike.
Čo je elektrón?
Elektróny sú najľahšie častice, ktoré majú elektrický náboj. Naše poznatky o nich sú stále do značnej miery protichodné a neúplné. Napríklad v moderných koncepciách žijú večne, pretože sa na rozdiel od neutrónov a protónov nikdy nerozpadnú (teoretický vek rozpadu protónov presahuje vek vesmíru).
Elektróny sú stabilné a majú trvalý záporný náboj e=1,6 x 10-19Cl. Patria do rodiny fermiónov a skupiny leptónov. Častice sa podieľajú na slabej elektromagnetickej a gravitačnej interakcii. Nachádzajú sa v atómoch. Častice, ktoré stratili kontakt s atómami, sú voľné elektróny.
Hmotnosť elektrónov je 9,1 x 10-31 kg a je 1836-krát menšia ako hmotnosť protónu. Majú polovičný spin a magnetický moment. Elektrón je označený písmenom "e-". Rovnakým spôsobom, ale so znamienkom plus, je označený jeho antagonista - pozitrónová antičastica.
Stav elektrónov v atóme
Keď sa ukázalo, že atóm pozostáva z menších štruktúr, bolo potrebné presne pochopiť, ako sú v ňom usporiadané. Preto sa koncom 19. storočia objavili prvé modely atómu. Podľa planetárnych modelov protóny (kladne nabité) a neutróny (neutrálne) tvoria atómové jadro. A okolo nej sa elektróny pohybovali po eliptických dráhach.
Tieto myšlienky sa menia s príchodom kvantovej fyziky na začiatku 20. storočia. Louis de Broglie predkladá teóriu, že elektrón sa prejavuje nielen ako častica, ale aj ako vlna. Erwin Schrödinger vytvára vlnový model atómu, kde sú elektróny reprezentované ako oblak určitej hustoty s nábojom.
Je takmer nemožné presne určiť polohu a trajektóriu elektrónov okolo jadra. V tejto súvislosti sa zavádza špeciálny pojem „orbitálny“alebo „elektrónový oblak“, čo je priestor najpravdepodobnejšieho miestapomenované častice.
Úrovne energie
V oblaku okolo atómu je presne toľko elektrónov, koľko je protónov v jeho jadre. Všetky sú v rôznych vzdialenostiach. Najbližšie k jadru sú elektróny s najmenším množstvom energie. Čím viac energie častice majú, tým ďalej môžu ísť.
Nie sú však usporiadané náhodne, ale zaberajú špecifické úrovne, do ktorých sa zmestí len určitý počet častíc. Každá úroveň má svoje vlastné množstvo energie a je rozdelená na podúrovne a tie zase na orbitály.
Štyri kvantové čísla sa používajú na opis charakteristík a usporiadania elektrónov na energetických úrovniach:
- n - hlavné číslo, ktoré určuje energiu elektrónu (zodpovedá číslu periódy chemického prvku);
- l - orbitálne číslo, ktoré popisuje tvar elektrónového oblaku (s - sférický, p - tvar osmičky, d - tvar ďateliny alebo dvojitej osmičky, f - zložitý geometrický tvar);
- m je magnetické číslo, ktoré určuje orientáciu oblaku v magnetickom poli;
- ms je spinové číslo, ktoré charakterizuje rotáciu elektrónov okolo svojej osi.
Záver
Elektróny sú teda stabilné záporne nabité častice. Sú elementárne a nemôžu sa rozpadnúť na iné elementy. Sú klasifikované ako základné častice, teda tie, ktoré sú súčasťou štruktúry hmoty.
Elektróny sa pohybujú okolo atómových jadier a tvoria ich elektrónový obal. Ovplyvňujú chemické, optické,mechanické a magnetické vlastnosti rôznych látok. Tieto častice sa podieľajú na elektromagnetickej a gravitačnej interakcii. Ich smerový pohyb vytvára elektrický prúd a magnetické pole.
