ماهي الإلكترونات

الإلكترون هو جسيم ذري سالب الشحنة، يمكن أن يكون إما حرا (غير مرتبط بأي ذرة)، أو مرتبطا بنواة الذرة، توجد الإلكترونات الموجودة في الذرات في أذرع كروية من أنصاف أقطار مختلفة، تمثل مستويات الطاقة .

وتشير إلى الإلكترون بالرمز (4379)، وتنتمي الإلكترونات إلى الجيل الأول من عائلة جسيمات اللبتون. وعموما يعتقد أنها جسيمات أولية لأنها لا تحتوي على مكونات أو بنية أساسية معروفة. ولدى الإلكترون كتلة تقارب 1/1836 كتلة البروتون. تتضمن الخواص الميكانيكية للإلكترون زخما زاويا جوهريا (تدور) بقيمة نصف عدد صحيح، ولا يمكن لأي إلكترون أن يكون في نفس الحالة الكمية .

و تعرض الإلكترونات خواص كل من الجزيئات والأمواج : يمكن للإلكترونات أن تتصادم مع جزيئات أخرى أو تبتعد عن مسارها مثل الضوء، مما يجعل من السهل ملاحظة خصائص موجات الإلكترونات في التجارب بشكل أفضل من ذلك في الجسيمات الأخرى مثل النيوترونات والبروتونات، لأن الإلكترونات لديها كتلة أقل وبالتالي طول موجتها يكون أطول بالنسبة لنفس الطاقة.

تلعب الإلكترونات دورا أساسيا في العديد من الظواهر الفيزيائية، مثل الكهرباء والمغناطيسية والكيمياء والتوصيل الحراري، وتشارك أيضا في التفاعلات الجاذبية والكهرومغناطيسية والضعيفة، وذلك لأن الإلكترون يحمل شحنة كهربائية، فيحتوي على مجال كهربائي محيط به، وإذا تحرك الإلكترون بالنسبة للمراقب، فسيلاحظ المراقب ذلك لأنه سيتم توليد مجال مغناطيسي، وستؤثر الحقول الكهرومغناطيسية المنبعثة من مصادر أخرى على حركة الإلكترون وفقا لقانون قوة لورنتز .

عندما يتم تسريع الإلكترونات، يتم إما شع أو امتصاص الطاقة في شكل فوتونات. يمكن للأدوات المخبرية أن تحتجز الإلكترونات الفردية وكذلك البلازما الإلكترونية باستخدام الحقول الكهرومغناطيسية. يمكن للتلسكوبات الخاصة اكتشاف البلازما الإلكترونية في الفضاء الخارجي. كما تشارك الإلكترونات في العديد من التطبيقات مثل الإلكترونيات واللحام وأنابيب أشعة الكاثود والمجاهر الإلكترونية والعلاج الإشعاعي والليزر وكاشفات التأين الغازي ومسرعات الجسيمات .

تعد الشحنة الكهربائية للإلكترون واحدة هي وحدة الشحنة الكهربائية الأساسية. تكون الشحنة الموجودة على الإلكترون متساوية، ولكن العكس صحيح بالنسبة للشحنة الموجبة على البروتون أو الثقب. عادة، لا يتم قياس كمية الشحنة الكهربائية بوحدة الشحنة على إلكترون واحد بسبب صغرها جدا. بدلا من ذلك، يستخدم الكولوم كوحدة قياسية لكمية الشحنة الكهربائية، ويرمز لها بالرمز C، وتعادل حوالي 6.24 × 10^18 إلكترون. الشحنة الكهربائية للإلكترون، والمرمزة بـ e، تقدر بحوالي 1.60 × 10^-19 كولومبية، وكتلة الإلكترون تبلغ حوالي 9.11 × 10^-31 كيلوغرام. عندما تتحرك الإلكترونات بسرعة تقريبية لسرعة الضوء، مثلما يحدث في مسرع الجسيمات، فإنها تكتسب كتلة أكبر نسبيا بسبب التأثيرات النسبية .

متى تم اكتشاف الإلكترون

تم اكتشاف الإلكترون في عام 1897 من قبل الفيزيائي الإنجليزي جي. طومسون، خلال تحقيقاته في أشعة الكاثود. ولعب اكتشافه للإلكترونات، التي أطلق عليها في البداية اسم “الجسيمات”، دورا محوريا في إحداث ثورة في معرفة التركيب الذري. في الظروف العادية، ترتبط الإلكترونات بنواة الذرات المشحونة إيجابيا عن طريق الجذب بين الشحنات الكهربائية المعاكسة. وفي الذرة المحايدة، يكون عدد الإلكترونات مساويا لعدد الشحنات الموجبة على النواة. ومع ذلك، قد تحتوي أي ذرة على إلكترونات أكثر أو أقل من الشحنات الموجبة، وبالتالي تكون سالبة أو موجبة الشحنة ككل. تعرف هذه الذرات المشحونة بالأيونات، وليست كل الإلكترونات مرتبطة بالذرات. فبعضها يوجد في حالة حرة مع الأيونات في شكل المادة المعروفة باسم البلازما .

داخل أي ذرة معينة ، تتحرك الإلكترونات حول النواة في ترتيب منظم للمدارات ، والتغلب على الإلكترونات والنواة يتغلب على الطرد بين الإلكترونات التي من شأنها أن تتسبب في تحليقها ، يتم تنظيم هذه المدارات في قذائف متحدة المركز تتجه للخارج من النواة ،  الإلكترونات الموجودة في المدارات الأقرب للنواة تُحكم بشدة ، أما المدارات الموجودة في أقصى المدارات الخارجية فتتم حمايتها عن طريق الإلكترونات المتداخلة وهي الأكثر قابلية للنواة .

 أثناء تحرك الإلكترونات داخل هذا الهيكل، تتشكل سحابة واسعة الانتشار تحمل شحنة سالبة وتملأ تقريبا حجم الذرة بأكملها. يشار إلى الترتيب الهيكلي المفصل للإلكترونات داخل الذرة بمصطلح التكوين الإلكتروني للذرة. يحدد التكوين الإلكتروني ليس فقط حجم الذرة الفردية، ولكن أيضا الطبيعة الكيميائية للذرة. ويعتمد تصنيف العناصر ضمن مجموعات متماثلة في الجدول الدوري على التشابه في بنياتها الإلكترونية.

 قيمة شحنة الإلكترون

لقد عرف العلماء منذ أواخر القرن التاسع عشر أن الإلكترون له شحنة كهربائية سالبة. تم قياس قيمة هذه الشحنة لأول مرة بواسطة الفيزيائي الأمريكي روبرت ميليكان بين عامي 1909 و 1910. في تجربة ميليكان لإسقاط النفط، قام بتعليق قطرات الزيت الصغيرة في غرفة تحتوي على رذاذ زيت. قام بقياس معدل سقوط قطرات النفط وكان قادرا على تحديد وزنها. يمكن أن يتم إبطاء أو إيقاف قطرات الزيت التي تحمل شحنة كهربائية، والتي يتم الحصول عليها عن طريق الاحتكاك أثناء الحركة في الهواء، باستخدام القوة الكهربائية.

بفحص القوة الكهربائية المستخدمة مقارنة بالتغييرات في الحركة، تمكن ميليكان من تقدير الشحنة الكهربائية في كل قطرة، وبعد قياس العديد من القطرات، وجد أن التهم الموجهة إليها كانت كلها مضاعفات بسيطة برقم واحد. وكانت الوحدة الأساسية للشحنة هي الشحنة الإلكترونية، وكانت الشحنات المختلفة على قطرات الزيت مطابقة لتلك التي تحتوي على إلكترونات إضافية 2، 3، 4،… ويعتقد الآن أن الشحنة الإلكترونية تساوي 1.602176565 × 10−19 كولوم. ولهذا العمل، حصل ميليكان على جائزة نوبل في الفيزياء عام 1923.

تكون شحنة البروتون مساوية للحجم الموجود على الإلكترون ، لكن في المقابل ، يكون البروتون له شحنة موجبة. لأن الشحنات الكهربائية المعاكسة تجذب بعضها البعض ، فهناك قوة جذابة بين الإلكترونات والبروتونات. هذه القوة هي التي تبقي الإلكترونات في مدارها حول النواة ، وهو ما يشبه الطريقة التي يبقي بها الجاذبية الأرض في مدار حول الشمس.

هيكل الذرة

يمكن تحديد عدد البروتونات والنيوترونات والإلكترونات في الذرة باستخدام مجموعة من القواعد البسيطة.

عدد البروتونات في نواة الذرة يساوي العدد الذري (Z).

عدد الإلكترونات في الذرة المحايدة يساوي عدد البروتونات.

يساوي عدد الكتلة للذرة (M) مجموع عدد البروتونات والنيوترونات في النواة.

عدد النيوترونات يكون الفرق بين عدد كتلة الذرة (M) والرقم الذري (Z).

المدارات ومستويات الطاقة

لا يمكن أن تكون الإلكترونات في أي مكان تعسفي من النواة على عكس الكواكب التي تدور حول الشمس ؛ فيمكن فقط أن تتواجد في مواقع محددة معينة تسمى المدارات المسموح بها ، هذه الخاصية ، التي أوضحها الفيزيائي الدنماركي نيلز بور في عام 1913 ، هي نتيجة أخرى لميكانيكا الكم – وتحديداً ، شرط أن يكون الزخم الزاوي للإلكترون في المدار ، مثله مثل أي شيء آخر في العالم الكمي ، يأتي في حزم منفصلة تسمى كوانتا .